本发明专利技术公开了一种用于储能设备的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料及其制备方法。首先,在纯钛或者钛合金表面生长一定形状的二氧化钛纳米管阵列,然后用多巴胺的缓冲溶液对其进行真空浸渍,使多巴胺单体进入到二氧化钛纳米管中,再通入氧气使多巴胺单体在二氧化钛纳米管中发生氧聚合，在二氧化钛纳米管阵列的诱导效应下，从二氧化钛纳米管中长出聚多巴胺纳米线。最后在惰性气氛下升温使聚多巴胺纳米线碳化，形成氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料。该复合材料的二维阵列结构有利于电解质离子的扩散，同时具有较高的比表面积，可以应用于超级电容器和锂离子电池负极材料中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料及化学电源
，具体涉及。
技术介绍
阳极氧化法制备出的二氧化钛纳米管阵列具有较高的比表面积和定向生长的纳米结构，在储能材料领域例如锂电池负极和超级电容器上具有良好的应用前景。但是由于氧化钛本身的电子电导率较低(10_5?10_6S/Cm)，所以限制了它的实际应用。碳材料的导电性较高，同时既能够吸附静电用于超级电容器，又可以嵌入锂离子用作锂电池负极，已经被广泛应用于各种储能设备中。因此将碳材料以碳纳米线的形式复合于二氧化钛纳米管阵列中做成电极，既可以提高其电子电导率，又有利于电解液离子在电极中的高速扩散，还能够提供一部分电池容量，大幅度提高其能量密度和功率密度。现在所报道的基于二氧化钛阵列的复合材料没有在三维尺寸上形成高比表面积的纳米线结构，不利于电解液离子在电极中的扩散，也不能提供较高的电化学反应面积。如申请号为CN201210192174.3的中国专利技术专利申请公开了一种多巴胺-纳米银复合涂层及其制备方法，该方法简单的将长有二氧化钛纳米管阵列的金属基底放入多巴胺的缓冲溶液中浸溃，没有对多巴胺溶液进行惰性气体保护，也没有在浸泡金属基体时抽真空，因此多巴胺无法有效的进入二氧化钛纳米管中并在其诱导下形成纳米线，只能生长成简单的平面薄膜结构，比表面积有限。如CN200910104418.6的中国专利技术专利申请公开了一种纳米镍/ 二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，通过脉冲电沉积法将镍纳米颗粒均匀的负载于二氧化钛纳米管阵列之上。由于氧化镍本身的导电性同样很差，所以并未解决二氧化钛作为电极时导电性很差的问题。如CN201110364153.0的中国专利技术专利申请公开了一种二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列及制备方法和储能应用。采用吡咯单体和高氯酸锂的乙氰溶液为工作电解质，采用脉冲伏安法进行电聚合反应。不仅需要使用高毒性的乙氰有机溶剂，不利于保护环境。同时生长出的导电聚合物主要位于二氧化钛纳米管内部和壁间，并未充分利用其表面空间，降低了活性物质的载量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种电导率和比表面积较高的用于储能设备的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料及其制备方法。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种用于储能设备的氮掺杂碳纳米线/ 二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤:I)配置缓冲溶液，并且在惰性气体保护下加入多巴胺并搅拌均匀；2)用多巴胺的缓冲溶液对表面生长有二氧化钛纳米管阵列的纯钛或钛合金基体进行真空浸溃，使多巴胺单体进入到二氧化钛纳米管中；3)通入氧气使多巴胺单体在二氧化钛纳米管中发生氧聚合，在二氧化钛纳米管阵列的诱导效应下，从二氧化钛纳米管中长出聚多巴胺纳米线；4)在惰性气氛下升温使聚多巴胺纳米线碳化，形成氮掺杂碳纳米线/ 二氧化钛纳米管阵列复合材料。上述方案中，所述的缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷-盐酸溶液，pH值为8-9。上述方案中，所述的多巴胺的浓度为4-10mg/ml。上述方案中，所述的惰性气体为氮气或者氩气。在惰性气氛下使多巴胺溶于缓冲溶液，可以避免多巴胺单体提前聚合而体积增大，有利于真空浸溃时进入到二氧化钛纳米管中。上述方案中，所述的纯钛或者钛合金基体为片状，线状或块状，表面生长的二氧化钛纳米管阵列的内径为80-200nm,如图1所示。上述方案中，所述的真空浸溃过程为:先将表面生长有二氧化钛纳米管阵列的纯钛或钛合金基体置于密闭容器，然后抽真空达到相对真空度-0.09Mpa至-0.1Mpa后，继续抽真空10-30分钟，再倒入多巴胺的缓冲溶液使基体完全浸没，然后保持真空状态0.5到4小时。抽真空的目的在于抽出二氧化钛纳米管中吸附的气体，有利于多巴胺单体进入其中。浸溃基体后保持真空状态的目的在于避免多巴胺单体在进入二氧化钛纳米管之前提前聚合而增大体积，有利于多巴胺单体向纳米管内扩散。上述方案中，所述的氧聚合的时间为10-24小时，长出的聚多巴胺纳米线直径为60_160nm,长度为 2-5 μ m。上述方案中，所述的碳化温度为500-700°C，碳化时间为1-2小时。一种氮掺杂碳纳米线/ 二氧化钛纳米管阵列复合材料，所述复合材料包括纯钛或者钛合金基体、在所述基体表面生长的二氧化钛纳米管阵列以及从二氧化钛纳米管阵列的二氧化钛纳米管中长出的氮掺杂碳纳米线。上述方案中，所述二氧化钛纳米管的内径为80_200nm，所述长出的氮掺杂碳纳米线直径为40-120nm，长度为2-5 μ m。本专利技术的有益效果为:本专利技术将聚多巴胺复合于二氧化钛纳米管阵列，既可以提高整个电极的导电性，又能够在二氧化钛纳米管阵列的诱导下通过氧聚合形成碳纳米线，提高电解液离子扩散速率，增大了比表面积，获得更好的电化学性能。【附图说明】图1是未复合多巴胺前二氧化钛纳米管阵列的扫描电镜正面俯视图。图2是二氧化钛纳米管阵列复合了聚多巴胺纳米线后的扫描电镜正面俯视图。图3是聚多巴胺纳米线碳化后形成的氮掺杂碳纳米线的扫描电镜正面俯视图。图4是本专利技术实施例2制备出的材料用做超级电容器电极时在不同扫描速率下的循环伏安曲线。图5是本专利技术实施例2制备出的材料用做超级电容器电极时在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。【具体实施方式】为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1首先配置pH=8的Tris-HCl缓冲液120ml，然后通入氩气，并且在氩气保护下加入多巴胺0.48g，即多巴胺的浓度为4mg/ml。然后将表面生长有二氧化钛纳米管阵列(孔径80nm)的纯钛块状基体置于密闭容器中，先抽真空到-0.09Mpa，继续抽真空10分钟。再倒入多巴胺的缓冲溶液使基体完全浸没，保持真空状态0.5小时后打开容器使氧气进入进行氧聚合。氧聚合10小时后取出样品，自然干燥后在500°C和氮气保护下碳化0.5小时获得最终样品。最终样品中二氧化钛纳米管的内径为80-200nm，长出的氮掺杂碳纳米线直径为40_120nm,长度为 2-5 μ m。实施例2首先配置pH=8.5的Tris-HCl缓冲液120ml，然后通入氮气，并且在氮气保护下加入多巴胺0.60g,即多巴胺的浓度为5mg/ml。然后将表面生长有二氧化钛纳米管阵列(孔径IOOnm)的纯钛片基体置于密闭容器中，先抽真空到-0.1Mpa，继续抽真空20分钟。再倒入多巴胺的缓冲溶液使基体完全浸没，保持真空状态2小时后打开容器使氧气进入进行氧聚合(聚多巴胺纳米线如图2所示)。氧聚合16小时后取出样品，自然干燥后在550°C和氩气保护下碳化I小时获得最终样品(氮掺杂碳纳米线如图3所示)。图4和图5中的测试结果显示，该材料用作超级电容器电极时具有优异的电化学性能。实施例3首先配置pH=9.0的Tris-HCl缓冲液120ml，然后通入氮气，并且在氮气保护下加入多巴胺1.2g，即多巴胺的浓度为10mg/ml。然后将表面生长有二氧化钛纳米管阵列(孔径200nm)的钛合金线基体置于密闭容器中，先抽真空到-0.1Mpa，继续抽真空30分钟。再倒入多巴胺的缓冲溶液使基体完全浸没，保持真空状态4小时后打开容器使氧气进入进行氧聚合。氧聚合24小时后取出样品，自然干燥后在700°C和氩气保护下碳化2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于储能设备的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）配置缓冲溶液，并且在惰性气体保护下加入多巴胺并搅拌均匀；2）用多巴胺的缓冲溶液对表面生长有二氧化钛纳米管阵列的纯钛或钛合金基体进行真空浸渍,使多巴胺单体进入到二氧化钛纳米管中；3）通入氧气使多巴胺单体在二氧化钛纳米管中发生氧聚合，在二氧化钛纳米管阵列的诱导效应下，从二氧化钛纳米管中长出聚多巴胺纳米线；4）在惰性气氛下升温使聚多巴胺纳米线碳化，形成氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种用于储能设备的氮掺杂碳纳米线/ 二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)配置缓冲溶液，并且在惰性气体保护下加入多巴胺并搅拌均匀； 2)用多巴胺的缓冲溶液对表面生长有二氧化钛纳米管阵列的纯钛或钛合金基体进行真空浸溃，使多巴胺单体进入到二氧化钛纳米管中； 3)通入氧气使多巴胺单体在二氧化钛纳米管中发生氧聚合，在二氧化钛纳米管阵列的诱导效应下，从二氧化钛纳米管中长出聚多巴胺纳米线； 4)在惰性气氛下升温使聚多巴胺纳米线碳化，形成氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，所述的缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷-盐酸溶液，pH值为8-9。3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺的浓度为4-10mg/ml。4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气或者氩气。5.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米线/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纯钛或者钛合金基体为片状，线状或块状，表面生长的二氧化钛纳米管阵列的内径为...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐浩林，熊明，蔡世昌，魏希，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。