[发明专利]缺陷型-金属掺杂氧化钛纳米管阵列超级电容器电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种缺陷型‑金属掺杂氧化钛纳米管阵列超级电容器电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：预处理干燥后的Ti‑Nb合金片经阳极氧化和热处理晶化后得到晶化态Nb掺杂氧化钛纳米管阵列，然后通过一步电化学还原法，得到Ti³⁺/氧空位与Nb共掺杂的氧化钛纳米管阵列，是一种缺陷型‑金属掺杂氧化钛超级电容器电极材料。本发明获得的Ti³⁺/氧空位与Nb共掺杂的氧化钛纳米管阵列，作为超级电容器电极材料具有高电荷传输效率、高比电容和高倍率性能的电化学特性，且有原料无毒，工艺可控，方便快捷，便于工业化生产等特点。

技术领域

本发明属于纳米材料技术及新能源领域，具体涉及一种缺陷型-金属掺杂氧化钛纳米管阵列超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器也称电化学电容器，是一种兼具高能量密度和高功率密度的储能器件，它具有充放电速度快，循环稳定性高等特点，能够为混合动力汽车，内存备份系统，能量管理系统以及移动电子设备等提供安全的使用环境。针对超级电容器而言，优异的电极材料可大幅提升超级电容器能量密度和功率密度，因此开发先进的电极材料是提升超级电容器电化学性能的首选之路。

一维TiO₂纳米管阵列是一种优异的电极材料，具有廉价无毒，化学性质稳定，比表面积高等特点。特别是，采用阳极氧化法制备的原位生长纳米管阵列具有排列紧密、垂直定向的特点，为电荷吸附提供了更多的活性位点，同时为电荷传输提供了良好的通道。但是由于TiO₂是n型半导体材料，本身具有较大的电阻，电荷传输效率低，限制了其在超级电容器领域的应用。为提升TiO₂本征电化学性能，目前TiO₂进行优化改性的方法主要有阳极氧化工艺优化、热处理工艺优化、金属体相掺杂和Ti³⁺/氧空位自掺杂等。研究者们首先通过对阳极氧化和热处理工艺进行优化，以制备高比表面积和高电荷传输效率的TiO₂纳米管阵列。虽然通过阳极氧化工艺的优化可在一定程度上提升电极材料比表面积，但不同温度不同时间的热处理仅对TiO₂晶相进行相应调节，无法显著改善电荷传输效率，导致电化学性能依旧处于μF cm^-2等级。

金属体相掺杂被证明也可提升电极材料电化学性能，例如在钛片中引入大量 Ni来改变TiO₂晶格结晶度，进而提升电极材料电荷传输效率。Mn体相掺杂可在电极材料表面引入缺陷，提高电极材料导电性。V则通过在充放电过程中发生 V⁴⁺/V⁵⁺的可逆氧化还原反应，为TiO₂纳米管提供赝电容，进而提升TiO₂本征电化学性能。虽然以上金属掺杂均在一定程度上提升了氧化钛纳米管阵列的电化学性能，但依赖于大量金属元素的投入，制备成本高，且性能不理想。为提升电极材料电荷传输效率，研究者们发现，通过在TiO₂表面引入适量Ti³⁺/氧空位可将载流子密度提升5个数量级，也是一种提升电荷传输效率的有效方法。

目前Ti³⁺/氧空位掺杂方法有真空热处理、H₂还原、H等离子还原、金属还原和强还原剂还原等方法。但目前方法均存在制备工艺复杂、耗时长、设备投入成本高和性能不稳定等问题，难以实现工业化生产。因此，研究开发一种制备成本低、工艺简单、性能稳定的高电荷传输效率，高比表面积的电极材料具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的就是为了针对氧化钛纳米管阵列电极材料电荷传输效率低，面电容低等问题，从而提供一种简单可控的高电荷传输效率，高倍率性能以及高面电容特性的缺陷型-金属掺杂氧化钛纳米管阵列超级电容器电极材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种缺陷型-金属掺杂氧化钛纳米管阵列超级电容器电极材料的制备方法，具体步骤如下：