[发明专利]一种金属氧化物-有序碳纳米管复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属氧化物‑有序碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，所述方法为：将阳极氧化铝模板浸渍在含碳聚合物溶液中，固液分离后对模板依次进行清洗、干燥和热处理，得到含有模板的有序碳纳米管；将含有金属M元素的溶胶滴加到含有模板的有序碳纳米管中进行陈化处理，陈化处理结束后利用碱性溶液除去所得产物中的模板，然后在一定温度下进行热处理，得到金属氧化物‑有序碳纳米管复合材料。本发明提供的方法实现了金属氧化物和有序碳纳米管的有效复合，能够获得有序排列的碳纳米管，并且将金属氧化物均匀分布在有序碳纳米管的内表面，使之具有更好的结构稳定性。此外，上述方法操作简便，适用性广，在电化学储能、催化等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种金属氧化物-有序碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的、清洁的、可充电的电源，具有工作电压高、能量密度高、质量轻、自放电速率低等优点，在手机、笔记本电脑等便携式电子设备上得到了广泛应用。经过多年的优化，锂离子电池电极材料的性能已经接近极限。

碳纳米管(CNTs)具有特殊的中空网状结构并且以C-C共价键结合而成，而C-C共价键多数采用sp2杂化，具有优越的力学性能，同时CNTs具有尺寸小、比表面积大、导电性好的优点。并且，相比于石墨，锂离子不仅可以嵌入管内，还可以嵌入管间隙，具有更多的嵌锂位。过渡金属氧化物有着极高的理论储锂容量，其比容量远高于石墨材料，且价格低廉、对环境无污染、具有更高的安全性。将碳纳米管和金属氧化物复合，能够结合二者的优异性能，有效改善锂离子电池材料的电化学性能。

CN108281622A公开了一种过渡金属氧化物/碳纳米管多孔复合负极材料的制备方法，将碳纳米管首先在强酸中分散、加热，得到功能化的CNTs；将过渡金属酸盐搅拌溶解，再加入功能化后的CNTs，然后边超声边沉淀，干燥后得到前驱体，将前驱体研磨后热处理，反应得到过渡金属氧化物/碳纳米管多孔复合负极材料。所得复合材料中碳纳米管内嵌过渡金属氧化物的空心球结构，形成三维的导电网络。CN103342384A公开了一种利用自支撑碳纳米管膜制备碳纳米管/金属氧化物同轴结构的方法，通过合理控制原料中自支撑碳纳米管膜的种类、金属氧化物种类以及液态有机前驱体种类，以及改变碳纳米管膜处理制度、调整化学气相沉积复合工艺参数，得到了金属氧化物均匀包覆在碳纳米管表面，且具有同轴结构的复合材料。CN101712452A公开了一种纳米石墨片、碳纳米管和过渡金属氧化物复合材料及制法，通过在纳米石墨片表面生长碳纳米管，同时负载过渡金属氧化物纳米粒子，得到了由纳米石墨片、生长在纳米石墨片表面的碳纳米管和过渡金属氧化物组成的复合材料，所得材料具有立体三维结构。CN103943838A公开了一种金属氧化物纳米片与碳纳米管储能材料的制备方法，先用磺化聚苯乙烯修饰碳纳米管，然后用油浴的方法在修饰过的碳纳米管上生长金属氢氧化物前驱体，经过煅烧后得到金属氧化物纳米片与碳纳米管储能材料。CN104616911A公开了一种垂直碳纳米管阵列/金属氧化物复合材料的制备方法，将金属有机化合物前驱体、助溶剂与碳纳米管阵列样品装入反应器，密封后通入超临界二氧化碳，并加热到预定温度进行浸渍处理；将样品在氧化性气氛中进行低温热解，将金属有机化合物前驱体转化为金属氧化物，从而获得表面均匀负载有金属氧化物的碳纳米管阵列三维结构复合材料。

上述方法主要通过沉积、热解等方式对金属氧化物和碳纳米管进行复合，但得到的复合材料中碳纳米管一般无序生长，且金属氧化物分散在碳纳米管的表面，复合材料的结构稳定性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属氧化物-有序碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，能够获得有序排列的碳纳米管，并且将金属氧化物均匀分布在有序碳纳米管的内表面，使之具有更好的结构稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种金属氧化物-有序碳纳米管复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：