[发明专利]一种三维氮掺杂碳纳米管纤维电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种三维氮掺杂碳纳米管纤维电极的制备方法，其包括以下步骤：S1：将六水硝酸钴、氟化铵、尿素和九水硝酸铁放入水中溶解，并搅拌后得到混合水溶液；S2：将碳纳米管纤维浸没在所述步骤S1制备得到的混合水溶液中，水热处理后冷却至室温，得到表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维；S3：将步骤S2得到的表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维置于管式炉中，以三聚氰胺为碳源，将所述三聚氰胺放置在所述表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维上游，进行化学气相沉积，得到三维氮掺杂碳纳米管纤维电极。本发明开发了一种高电容碳材料的先进电容型纤维电极，克服了正负电极之间较大的容量差距，同时实现了高能量和功率密度。

技术领域

本发明涉及储能材料制备技术领域，具体而言，涉及一种三维氮掺杂碳纳米管纤维电极及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件，它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

随着小型化便携式和可穿戴电子设备需求的增长，要求新型微型储能设备可以满足所需的多种功能，如可弯曲、可折叠和可编织的同时保持其电化学性能。准固态纤维型超级电容器由于其在形状和体积方面具有极高的机械灵活性，易与纺织品高度融合，高功率密度，快速充放电能力和长循环稳定性等特点而受到广泛关注。

然而，较低的能量密度始终严重制约着准固态纤维型超级电容器的实际应用。新型混合超级电容器-电池储能系统，特别是纤维状的锌离子混合超级电容器结合了超级电容器和锌离子电池的优势。但其主要局限之一是开发高电容碳材料的先进电容型纤维电极，以克服正负电极之间较大的容量差距，从而同时实现高能量和功率密度。

发明内容

本发明要解决的其中一个技术问题是，提供一种三维氮掺杂碳纳米管纤维电极的制备方法，以制备得到能够克服正负电极之间较大的容量差距，从而同时实现高能量和功率密度的三维氮掺杂碳纳米管纤维电极。

为解决上述问题，本发明提供了一种三维氮掺杂碳纳米管纤维电极的制备方法，包括以下步骤：

S1：将六水硝酸钴、氟化铵、尿素和九水硝酸铁放入水中溶解，并搅拌后得到混合水溶液；

S2：将碳纳米管纤维浸没在所述步骤S1制备得到的混合水溶液中，水热处理后冷却至室温，得到表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维；

S3：将步骤S2得到的表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维置于管式炉中，以三聚氰胺为碳源，将所述三聚氰胺放置在所述表面生长钴铁纳米颗粒的碳纳米管纤维上游，进行化学气相沉积，得到三维氮掺杂碳纳米管纤维电极。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述六水硝酸钴、氯化铵、尿素、九水硝酸的质量配比为(0.8-1.5)：(0.1-1)：(1-2)：(0.5-1)。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述搅拌的条件为常温下搅拌5-20分钟。

作为优选的方案，所述步骤S2中，所述水热处理的条件为：在80-120℃的温度下水热反应20-50分钟。

作为优选的方案，所述步骤S2结束后与所述步骤S3开始之间还包括对所述碳纳米管纤维进行干燥处理的步骤，包括：将所述碳纳米管纤维取出后用去离子水、乙醇清洗并置于真空干燥箱干燥3-12小时。

作为优选的方案，所述步骤S3中，所述三聚氰胺的质量为1-3g。

作为优选的方案，所述步骤S3中，所述化学气相沉积采用的沉积气氛为氮气或氩气。