[发明专利]一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料，它以含有氮原子的聚吡咯纳米管为氮掺杂碳纳米管的前驱体，以金属有机框架化合物ZIF‑67为四氧化三钴的前驱物，利用聚多巴胺实现ZIF‑67与氮掺杂碳纳米管进行有效复合，再经高温焙烧得到氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料。所得复合材料中双电层电容的氮掺杂碳纳米管与赝电容的四氧化三钴相互结合，有利于电子或离子传输，可有效提升四氧化三钴的电化学循环稳定性；且涉及的制备方法简单，反应条件温和，复合材料组分可控，适用于超级电容器等领域。

技术领域

本发明属于新材料、超级电容器领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器与传统电容器相比，具有高的能量密度、大的功率密度、长的循环寿命及快速电荷分离等特性，以其优越的性能被广泛应用国民经济生活中的多个领域。电化学超级电容器按照储能机理的不同，主要分为法拉第电容器和双电层电容器两类；前者采用的电极材料主要包括过渡金属氧化物和导电高分子；后者采用的电极材料主要为各种碳材料。

四氧化三钴作为一种过渡金属氧化物，被认为是理想的超级电容器电极材料。金属有机框架ZIF-67由2-甲基咪唑钴离子通过配位作用形成的有机/无机杂化骨架材料，具有大的比表面积和孔体积，可作为四氧化三钴的前驱体。但是目前制备的四氧化三钴的实际比电容通常远低于它的理论比电容，这主要是四氧化三钴较低的导电性和在长期充放电过程中的极化所导致的。

最近研究表明，利用杂原子(如氮、磷、硫、硼等)掺杂碳材料，将会改变碳材料的电子结构、结晶结构和亲水性，与未掺杂的碳材料相比化学掺杂后的碳材料的比电容通常会提高。然而，目前对于具有二维纳米片层结构的石墨烯与一维纳米管状结构的碳纳米管的氮掺杂，一般是通过外加含氮化合物，进行高温焙烧或是水热反应实现的，涉及的制备工艺复杂、反应条件苛刻。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料及其制备方法；以含有氮原子的聚吡咯纳米管为氮掺杂碳纳米管的前驱体，以金属有机框架化合物ZIF-67为四氧化三钴的前驱体，利用聚多巴胺将ZIF-67与氮掺杂碳纳米管复合，再经高温焙烧后得到氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料，所得复合材料可表现出优异的电化学性能和循环稳定性，且涉及的制备方法简单、易控，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料，它通过将聚吡咯纳米管在保护气氛下煅烧制备氮掺杂碳纳米管，将其加入多巴胺溶液进行聚合反应得改性氮掺杂碳纳米管，然后浸渍于ZIF-67的前驱体溶液中进行室温反应制备氮掺杂碳纳米管/ZIF-67复合材料，最终在保护气氛下进行焙烧得到。

上述方案中，所述ZIF-67的前驱体溶液为含有硝酸钴与2-甲基咪唑的甲醇溶液。

上述一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚吡咯纳米管保护气氛下煅烧制备氮掺杂碳纳米管；

2)将氮掺杂碳纳米管浸渍于多巴胺溶液中，调节所得混合液的pH值至8.0～9.0，对氮掺杂碳纳米管进行聚合改性，得改性氮掺杂碳纳米管；

3)将改性氮掺杂碳纳米管浸渍于ZIF-67的前驱体溶液中进行室温反应，得氮掺杂碳纳米管/ZIF-67复合材料；

4)将氮掺杂碳纳米管/ZIF-67复合材料在保护气氛下进行焙烧，得氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合材料。

上述方案中，步骤1)所述煅烧温度为700～900℃，时间为2～4h。

上述方案中，所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为3～5mg/mL。

上述方案中，步骤2)中所述聚合改性温度为室温，时间为18～24h。