[发明专利]一种二氧化钛和钴铝水滑石异质结无机复合材料及其作为光充电超级电容器的应用

说明书

本发明公开了一种二氧化钛和钴铝水滑石异质结无机复合材料及其作为光充电超级电容器的应用。本发明首先采用水热法在FTO上生长TiO₂纳米棒；然后以硝酸钴、硝酸铝和硝酸钠的混合液作为电解液，生长TiO₂纳米棒的FTO为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt丝为对电极，利用三电极法将钴铝水滑石沉积到TiO₂纳米棒上。本发明制备的二氧化钛和钴铝水滑石异质结无机复合材料，操作简单，稳定性好，光响应强烈，其以纳米TiO₂作为光的吸收器，将光能转化为化学能，钴铝水滑石作为储能原件，将化学能转化为电能，在光照下实现了将光能转化为化学能并储存在超级电容器中，突破了用太阳能受季节和无光照的限制。

技术领域

本发明属于超级电容器制备技术领域，具体涉及到一种TiO₂纳米棒和电化学沉积不同层数钴铝水滑石复合而成的异质结无机复合材料，并将其作为光充电超级电容器进行性能评价。

背景技术

太阳能为人类提供了清洁，丰富和无限的能源资源，并提供了一种绿色方式来满足全球对无碳能源的需求，太阳光为我们提供了广泛的光谱应用，如太阳能热、光伏发电、光电化学水分解、光合作用和光催化剂。然而，迄今为止，这些太阳能收获和储存策略是独立开发的技术。另外，对于太阳能的利用也是受季节、阴天和白昼的限制。这就急需一个可以将太阳能收集起来，可以随用随取。根据以上的分析，光充电超级电容器就恰好符合上面的要求。

光充电超级电容器是一个储能器件，所以为了能够充分利用这一优点，本发明将超级电容器作为光能的储存器，将太阳能的能量收集到超级电容中，以克服太阳能受季节，阴天和黑夜的限制。

LDHs是一种二维纳米无机材料，也是一类作为赝电容超级电容器的大家族，其钴铝水滑石由于易合成，较其他水滑石比表面积大，易发生氧化还原反应，而受到研究者的青睐，因此作为本发明的超级电容器的材料。

TiO₂是常用的n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。它的禁带宽度为3.2eV，当它受到波长小于或者等于387.5nm的光照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子(e^-)；而价带中则相应地形成光生空穴(h⁺)。而TiO₂纳米棒由于其形貌的原因，使其产生的电子更容易和空穴分离，所以TiO₂纳米很适合做光吸收器来获得光能。

发明内容

本发明的目的是提供了一种无机材料TiO₂/CoAl-LDH异质结及其作为光充电超级电容器的应用，通过调节反应时间和反应温度控制TiO₂纳米棒的长度和数量，通过调节电化学工作站的扫描圈数来控制电化学沉积CoAl-LDH的层数，获得与光充电超级电容器的光化学性能之间的关系，进而确定合成的最佳条件。

本发明所述的二氧化钛和钴铝水滑石异质结无机复合材料的合成方法为：首先采用水热法在FTO上生长TiO₂纳米棒；然后以硝酸钴、硝酸铝和硝酸钠的混合液作为电解液，生长TiO₂纳米棒的FTO为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt 丝为对电极，利用三电极法将钴铝水滑石沉积到TiO₂纳米棒上。

本发明的具体步骤如下：

1)在反应釜中加入盐酸，然后滴加钛酸四异丙酯，450-500r/min边滴边搅拌至混合液澄清；将预处理好的FTO置于混合液中，FTO的导电面朝下，且混合液不能浸没FTO；密封后将反应釜在120-180℃下反应6-12h；取出FTO，去离子水洗涤，再将FTO置于马弗炉中，5-10℃/min的速率升温至400-600℃，保持0.5-2 h，自然冷却至室温，真空干燥后得到生长在FTO上的TiO₂纳米棒；