[发明专利]利用原子层沉积制备碳洋葱/氧化钒纳米复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用原子层沉积技术制备碳洋葱/氧化钒纳米复合材料的方法，属于纳米材料制备工艺技术领域。本专利发明了一种碳洋葱/氧化钒纳米复合材料，该纳米复合材料中碳洋葱堆叠成三维多孔结构，可提供优越的充放电循环稳定性，通过在碳洋葱表面均匀负载上氧化钒后，更有效提高了碳洋葱的赝电容，使得该纳米复合材料展现出优越的电化学性能；同时该纳米复合材料能耗低、成本低、纯度高，所合成的碳洋葱/氧化钒纳米复合材料产量可达到公斤级，同时可通过调整原料配比进而调控所合成复合材料中碳洋葱与氧化钒的质量比，达到控制纳米复合材料的孔径及比表面积的目的。该复合材料在锂离子电池中具有潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及碳纳米复合材料领域，更具体而言，涉及一种利用原子层沉积制备碳洋葱/氧化钒纳米复合材料的方法。

背景技术

碳洋葱最初由饭岛澄男于1980年发现，也被称为多层富勒烯。由于当时富勒烯尚未发现，此类零维碳纳米材料并未受到重视，直至1985年C₆₀的发现才使得零维纳米材料受到研究人员的强烈关注，稳定的C₆₀和碳洋葱结构表明在纳米尺度上，碳能量最低的完美结构是三维球状的。碳洋葱的理化性质优异，逐步被用于传感、催化、场发射、电磁屏蔽、吸波与电化学等领域。

在锂电领域中，碳洋葱展示了优越的循环稳定性，但由于碳洋葱较低的比表面积大幅限制了其比容量，因此合成碳洋葱/金属氧化物复合材料，引入赝电容成为增加碳洋葱电化学性能的有效手段之一。然而碳纳米复合材料合成工艺复杂，能耗高，成本高，诸多缺点限制了碳纳米复合材料的实际应用，为了简化制备工艺，本发明利用原子层沉积法来制备碳洋葱/氧化钒纳米复合材料。原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式逐层镀在基底表面的方法，与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子，故而展示出原子层沉积技术的优势。

发明内容

一方面，碳洋葱的低比表面积限制了其比电容，进而影响了其在超级电容器中的应用性能；另一方面，碳纳米复合材料合成工艺复杂，能耗高，成本高，这些缺点限制了碳纳米复合材料的实际应用，基于此，本发明制备了一种碳洋葱/氧化钒纳米复合材料，该复合材料具有高比电容，优越的循环稳定性，使其在超级电容器领域中展现出优越的应用前景。

本发明采用如下技术方案实现：

本发明公开一种利用原子层沉积制备碳洋葱/氧化钒纳米复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用电弧放电法制备平均粒径为10nm的碳洋葱，置于马弗炉中于350℃灼烧2h，然后用稀盐酸浸泡5h，加入去离子水反复离心至上清液接近中性后干燥得到纯化碳洋葱；

步骤二、将导电玻璃基片分别用无水乙醇和去离子水超声清洗各15min后用氮气吹干。采用刮刀法将步骤一所述的纯化碳洋葱和含聚四氟乙烯的有机粘结剂刮压涂覆在导电玻璃上，制成厚约15μm的碳洋葱薄膜；

步骤三、采用定制手套箱保护的原子层沉积系统实现在步骤二所述碳洋葱薄膜表面沉积氧化钒。沉积前氧等离子体处理薄膜表面5min，之后分别采用三异丙醇氧钒作为金属有机前驱体，水作为反应气，氮气作为冲洗气，沉积温度为190℃。

作为优选，所述步骤一中电弧放电法按以下步骤进行：

1)清理放电室和阴极，安装阳极石墨棒令其与阴极石墨块接触；

2)打开真空泵抽真空0.5h，然后打开电焊机预热石墨棒继续抽真空，并同时打开冷凝水进行冷却，约0.5h之后关闭真空泵充入少量氦气，再次抽真空并如此重复三次。然后关闭真空泵充入一定量的氦气；

3)打开电焊机，调节电流值并调节步进器使短接的阴阳级缓慢断开，接触点立刻红热并气化产生离子体，随即产生电弧；