[发明专利]一种碳化钛-碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳化钛‑碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料及其制备方法和应用，其制备方法，包括以下步骤：将清洗后的基底放置在等离子体石英管中，通过化学气相沉积法制得碳化钛‑碳核壳阵列；以碳化钛‑碳核壳阵列为载体置于离子体石英管中，通过化学气相沉积法制得碳化钛‑碳核壳阵列负载垂直石墨烯复合材料；将碳化钛‑碳核壳阵列负载垂直石墨烯复合材料置于原子层沉积仪中，原子层沉积法制得碳化钛‑碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料。本发明还包括采用上述方法制得的复合材料及其在锌离子电池中的应用。本发明的碳化钛‑碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合电极材料具有高比容量、高倍率性能及高循环寿命。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳化钛-碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动交通、移动通讯和大规模储能行业的迅速发展，电化学储能器件(如锂离子电池)和材料正迎来全新的发展契机，并受到市场的追捧。但锂金属资源有限，且分布不均匀导致价格昂贵。同时，锂离子电池必须在无水环境中制作的苛刻条件使其生产成本较高。此外，锂离子电池采用的有机电解液通常有毒且易燃，存在安全隐患。鉴于此，新型的高安全水系锌离子电池开始受到人们的关注。水系锌离子电池电解液的离子电导率比有机电解液高2个数量级，因此具有更高的功率密度，且制作环境便捷、成本较低。此外，锌具有低的平衡电位和高的析氢过电位，是可以从水溶液中高效还原的低电位元素。同时，在水溶液里能够稳定的金属元素中,锌的能量也是最高的。金属锌同时具有资源丰富、低毒性以及易处理等优点。因此，价格低廉、安全性高、无环境污染和高功率特性的二次锌离子水系电池是理想的绿色电池体系。

锌的原子质量大，锌离子与正极材料的晶体结构之间存在强的静电相互作用导致其离子输运动力学缓慢，库仑效率低，倍率性能差。因此，设计构筑新型高性能的锌离子电池正极材料势在必行。其中，二氧化锰基材料具有高的储锌容量和大能量密度，其晶体内部层状结构能够有效容纳锌离子的快速嵌入和脱出。但二氧化锰的电子导电性偏低，导致其倍率性能和循环性能较差。

因此，将二氧化锰与碳材料(如碳化钛-碳核壳阵列和垂直石墨烯)进行复合是提高其导电性和结构稳定性的一种有效方式。这主要得益于碳材料(碳化钛-碳核壳阵列和垂直石墨烯)的高化学稳定性、高导电性、大比表面积等优良特性。同时，二氧化锰纳米颗粒材料增大了电极材料与电解液的接触面积，有利于电子传输，能够提供更高的电容量。此外，垂直石墨烯为二氧化锰提供了稳定的结构支撑，使得二氧化锰在电化学充放电过程中保持结构稳定，不易坍塌，从而获得良好的倍率和循环性能。上述方案结合了碳化钛-碳核壳阵列和垂直石墨烯等碳材料和二氧化锰的双重优点，是构建高性能锌离子电池的有效策略。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种碳化钛-碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料及其制备方法和应用，该复合材料兼具有高导电性，抑制二氧化锰结构坍塌、加速电化学反应动力学等优势。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化钛-碳核壳阵列负载垂直石墨烯/二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将清洗后的基底放置在等离子体石英管中，在600-900℃温度、10-30Pa真空度和300-700W等离子体强度条件下，反应碳源为丙酮，经氩气鼓泡携带进入等离子体石英管中，氩气流量为150-300sccm，反应时间为1-5h，冷却，得碳化钛-碳核壳阵列；

(2)以步骤(1)所得碳化钛-碳核壳阵列为载体置于离子体石英管中，在300-800℃温度、5-25Pa真空度和300-900W等离子体强度条件下，以氩气、氢气和甲烷的混合气体为等离子体反应气体，反应碳源为甲烷，反应时间为5-30min，冷却，得碳化钛-碳核壳阵列负载垂直石墨烯复合材料；