[发明专利]一种金属元素掺杂的阳极氧化钛纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属元素掺杂的阳极氧化钛纳米管的制备方法。通过常规的恒流或恒压阳极氧化法制备出阳极氧化钛纳米管，然后在密闭容器中，将所制备的阳极氧化钛纳米管和低沸点（低于400^°C）的金属化合物（作为金属掺杂源）一起进行加热处理，利用金属化合物所产生的蒸气对阳极氧化钛纳米管进行一定时间的处理，可以实现金属元素对氧化钛纳米管的有效掺杂。采用本发明所述方法，操作简便，经过金属元素掺杂的阳极氧化钛纳米管表现出明显增强的超级电容器性能。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种金属元素掺杂的阳极氧化钛纳米管的制备方法。

背景技术

钛金属通过阳极氧化法制备的氧化钛纳米管阵列（TiO₂ NTAs，阳极氧化钛纳米管）膜，因其众多优点：如高比表面积，垂直取向纳米结构，化学稳定性和简单的制备方法等，受到人们的广泛关注。目前，这种特殊一维纳米结构的TiO₂ NTAs膜，已经在太阳能电池、光解水、超级电容器等许多领域表现出很有希望的应用前景。当实际应用于超级电容器时，高度有序的TiO₂ NTAs膜可以为电子和离子传输提供直接路径，并且TiO₂ NTAs膜下面的钛基底可用作集流体，无需粘结剂而直接得到超级电容器电极。然而，因为TiO₂是一种宽带隙半导体（锐钛矿为3.2 eV，金红石为3.0 eV），电导率有限，电化学活性低，所以导致其超级电容性能无法与RuO₂等典型的金属氧化物材料的性能相比较。因此，积极探索解决TiO₂这些局限性的方法是非常必要的。

据文献报道，通过将金属（ZK Zheng, et al. Journal of Materials Chemistry21 (2011) 9079）或非金属杂质（X Chen, et al. Chemical Reviews 107 (2007) 2891）引入TiO₂中可以实现其电导率的增加，因为这可以在带隙中产生施主或受主态，从而增加TiO₂中的载流子浓度进而提高其电导率。为了提高TiO₂材料的超级电容性能，在过去的二十年中已经研究出了各种掺杂方法。这些对TiO₂进行掺杂的方法主要包括在真空、氩气气氛（M. Salari, et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 4770.）或还原条件下（例如H₂、NH₃或乙炔）加热处理（R. Hahn, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48,7236.），水热处理（R. Yuan, et al., J. Hazard. Mater., 2013, 262, 527.），氢等离子体处理（H. Wu, et al., Nanotechnology, 2013, 24, 455401.），高能离子注入（A.Ghicov, et al., Nano Lett., 2006, 6, 1080.）和还原性电化学掺杂等（CN103165283A；W. Zhong, et al., J. Power Sources, 2015, 294, 216.）。然而，这些报道和公开的方法主要适用于TiO₂的自掺杂和非金属掺杂。虽然水热处理和高能离子注入是实现金属元素掺杂TiO₂的有效方法，但是这些方法有许多局限性，例如：处理步骤过于复杂，可能破坏阳极氧化钛纳米管的苛刻反应条件，或者需要昂贵的设备。另外，由于电化学掺杂的亚稳态特性，所以通过电化学实现金属元素掺杂的TiO₂ NTAs膜的循环稳定性存在很大的问题。因此，探索简便且经济的方法来实现稳定的金属元素掺杂TiO₂ NTAs膜是一个迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属元素掺杂的阳极氧化钛纳米管的制备方法。