[发明专利]氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化钌水化物‑钌纳米颗粒复合材料，所述钌纳米颗粒被有机碳链包裹，所述氧化钌水化物与包裹钌纳米颗粒的有机碳链之间形成氢键；同时公开了上述复合材料的制备方法和其在电容电极领域的应用。本发明将赝电容氧化钌水化物和双电层电容有机材料包覆的钌纳米颗粒复合，由于二者结构相近、表面性质类似，复合后协同作用，显著提升了材料的电容行为，有效解决了氧化钌水化物稳定性差的问题。

技术领域

本发明涉及一种氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器为一种能量转换和存储器件，具有较高的能量密度，快速的能量存储能力，持久的循环寿命。

通常超级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝电容。双电层电容器一般多为碳基材料，特点是比表面积大，响应速度快、放电倍率大、电化学性能稳定，但是实际使用过程中存在比电容、能量密度较小的缺点。法拉第赝电容通常为金属氧化物或导电高分子材料，特点为结构较致密、比电容大、能量密度高，但是也存在着电化学性能稳定性差、响应速度慢等缺点。由于双电层电容材料和赝电容材料都有各自的优缺点，单一材料不足以能适应实际应用的需求，如何将二者结合起来、形成优势互补，成为了该领域的研究热点。

钌隶属铂族过渡金属，硬、脆、抗蚀能力超强。氧化钌水化物是电容器应用中最为理想的材料之一，为典型的法拉第赝电容。钌基电极材料的优点在于比电容大(RuO₂理论比电容值达1358F g^-1)，优异的导电性(37μS cm^-1)、能量密度大、可逆的氧化还原特性、电位窗口宽和良好的速率性能。其中氧化钌水化物为无定型结构，结构疏松，特别有利于质子扩散至材料内部参与电极过程，进而获得优异的电容行为，但因为结构疏松导致其电化学稳定性明显下降。

为了提升钌基材料的稳定性，弥补氧化钌水化物的结构缺陷，研究人员采用了氧化钌水化物与碳基双电层材料复合的的方式，以复合电极材料的方式来提升钌基材料的整体电容性能。本专业领域技术研究人员展开了相关研究，专利“CN 102354604”将二氧化钌表面沉积/涂覆于石墨烯的表面。“CN 108461307 A”将碳纳米管与钌盐共混，形成钌基复合材料。“CN 1964917A”采用超离心作用获得内包二氧化钌的石墨烯复合结构。“CN103887077 A”采用石墨烯与二氧化钌一起研磨的方式获得复合材料。“CN 104124071 A”中采用碳源与钌盐搅拌吸附的方式获得。“CN 109859955 A”中采用炭粉与钌盐球墨的方式混合。“CN 102005307 A”和“CN 104616915 A”均采用石墨烯与钌盐水热吸附的方式。

但是由于氧化钌水化物与碳基材料的表面性质相差较大，界面处基本没有相互作用，这种简单的物理涂覆、吸附或包覆并不能充分发挥氧化钌水化物和碳基材料的协同作用，使得复合材料的电容行为不能有效提升，钌基材料的稳定性没有显著提升。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够使电容性能显著提升，电化学稳定性也显著增强的氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料，本发明的另一个目的是提供上述复合材料的制备方法和其在电容电极领域的应用。

技术方案：本发明所述一种氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料，所述钌纳米颗粒被有机碳链包裹，所述氧化钌水化物与包裹钌纳米颗粒的有机碳链之间形成氢键。

将氧化钌水化物与钌纳米颗粒这一双电层电容材料以氢键键合的方式键合复合。由于这两种材料结构相近、表面性质相类似，二者优势互补，实现了复合增效，使得氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料的电容性能显著提升，电化学稳定性也显著增强。

进一步的，所述有机碳链的碳原子数量不大于6碳的羧基硫醇。

一种氧化钌水化物-钌纳米颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)以质量份数计，将1-6份三氯化钌和0.25-1份表面活性剂溶于水中，制备氧化钌水化物；