碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面。本发明专利技术还提供了该纳米阵列材料的制备方法及其在超级电容器中的电化学储能应用。本发明专利技术提供的碳包覆钛基纳米阵列材料具有有序排列的“壳-核”纳米结构特征，可直接应用于超级电容器的电极材料，具有快速充放电和高电容量的电化学储电性能。

【技术实现步骤摘要】
碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法和应用
本专利技术属于超级电容器电极材料制备领域，尤其涉及一种用于超级电容器的碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法。
技术介绍
当前，加快发展高效、稳定和环境友好的储能器件对于合理有效的利用能源来说是十分必要的。人们希望出现新型的储能器件，兼具高能量密度和高功率密度的特性，可以满足未来的电子设备、车辆和工业设备对混合动力输出的要求。超级电容器以其快速充放电速率、高功率密度和长使用寿命等优势，极大的吸引研究者的兴趣，并有望在不久的将来实现工业化生产，为人类丰富多彩的生活提供能源支持。然而，目前超级电容器面临的一个巨大挑战是，如何在保证电极材料功率密度的同时，增加其能量密度和稳定性。钛基材料包括氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛，其中，氧化钛和氮掺杂氧化钛具有很好的光电化学活性，广泛应用于光敏太阳能电池。氮化钛具有良好的导电性和机械稳定性，是一种新型的很有前景的电极材料，氮化钛已经被广泛的应用于光敏太阳能电池，燃料电池和超级电容器之中。而有序多孔结构的氮化钛具有高的比表面积和适宜离子扩散的通道，高电导性氮化钛通常被用作电极基底材料，然而，氮化钛在水相电解液中会因为不可逆的电化学氧化反应导致不稳定，因此，提高氮化钛材料的能量密度和循环稳定性对真正实现其在储能领域的应用也有重要意义。碳包覆被认为是增强电极材料电导性和稳定性的一种简单而有效的方法。大量的碳包覆材料，比如LiFePO4/C,NiO/C和TiO2/C等，均被开发研究并用于电化学储能领域。因此，合理利用碳层包覆的手段来设计制备纳米阵列材料，可以解决氮化钛材料的稳定性问题，同时实现电极材料高的功率密度和能量密度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法，所述的纳米阵列材料应用于超级电容器电极的电化学储能。技术方案：本专利技术提供的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面。作为改进，所述碳包覆钛基纳米阵列材料具有导电基底(1)上有序排列的“壳-核”纳米结构，所述的核是钛基纳米线、纳米柱或纳米管阵列，所述的壳是无定形碳层。作为另一种改进，所述导电基底(1)包括钛片、导电玻璃、碳布、碳纸、石墨烯膜、碳纳米管膜和多孔碳膜。作为另一种改进，所述钛基包括氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛；所述钛基纳米阵列(2)为一组有序排列的单根纳米线、集束纳米线、纳米柱或纳米管；其中，单根纳米线直径为10～30nm；集束纳米线直径为20～200nm，长度为1～1.5μm；纳米柱直径为100～300nm，长度为1～1.5μm；纳米管直径为50～100nm，壁厚为10～30nm，长度为3～5μm。作为另一种改进，所述无定形碳层(3)的厚度为3～10nm。本专利技术还提供了一种上述碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用种子辅助水热反应法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米线或纳米柱阵列：在导电基底材料表面物理吸附含钛种子液，干燥后置于密封水热反应釜中，加入盐酸、水和钛基前驱体的混合反应液，进行水热反应；反应产物在惰性气体保护下进行高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米线或纳米柱阵列；采用恒电压阳极氧化法及高温煅烧处理制备氧化钛纳米管阵列：在二电极电化学反应体系中，以钛片作为阳极、铂片作为阴极，以乙二醇、水、氟化铵的混合液为反应电解液，进行恒电压阳极氧化反应；反应产物在惰性气体保护下高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米管阵列；(2)采用受控氮掺杂处理或完全氮化处理方法制备氮掺杂氧化钛或氮化钛纳米阵列：将晶体相步骤(1)制得的氧化钛纳米线、纳米柱或纳米管阵列置于管式气氛炉中，在氨气气氛下进行高温完全氮化或部分氮掺杂处理，即得氮化钛或氮掺杂氧化钛纳米阵列；(3)采用水热反应法及高温煅烧处理方法制备碳包覆钛基纳米阵列材料：将氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛纳米阵列材料置于密封水热反应釜中，加入水热反应液进行水热反应；反应产物在氮气保护下进行高温煅烧处理，即得碳包覆钛基纳米阵列材料。步骤(1)中，所述种子辅助水热反应法条件为：含钛种子液为0.3～0.9mol/L钛基前驱体乙醇溶液，水热反应液中的盐酸、水和钛基前驱体的体积比为1:(1～1.1):(0.02～0.04)，盐酸为37％的盐酸溶液，水热反应时间为7～20h，水热反应温度为150～200℃，钛基前驱体为四氯化钛、钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯；所述恒电压阳极氧化法条件为：阳极氧化电压为30～60V，反应时间为1～3h，反应温度为23～27℃，反应电解液中，乙二醇的体积分数为97～99％，蒸馏水的体积分数为1～3％，氟化铵的质量分数为0.2～0.3％；高温煅烧处理条件均为：氮气浓度大于99.7％，氮气流量为45～55mL/min；升温速率为：室温到450℃为2℃/min，450℃下保温2h。步骤(2)中，所述的完全氮化处理条件为：在氨气气氛中进行氮化反应，氨气浓度为99.6～99.9％，氨气流量为30～60mL/min，升温速率从室温到300℃为5℃/min，从300到550℃为3℃/min，从550到900℃为1℃/min，900℃恒温反应1h；所述的受控氮掺杂处理条件为：在氨气气氛中进行氮掺杂反应，氨气浓度为99.6～99.9％，氨气流量为30～60mL/min，升温速率从室温到300℃为5℃/min，从300到600℃为2℃/min，600℃恒温反应3h。步骤(3)中，所述水热反应法条件为：水热反应液为0.05～0.2mol/L碳源化合物水溶液，水热反应时间为1～5h，水热反应温度为160～180℃，碳源化合物为葡萄糖、蔗糖或淀粉；所述高温煅烧处理条件为：氮气浓度大于99.9％，氮气流量为30～50mL/min；升温速率为室温到550℃为3℃/min、550℃到800℃为2℃/min，800℃下保温1h。本专利技术还提供了一种上述碳包覆钛基纳米阵列材料在超级电容器中的应用。有益效果：本专利技术提供的碳包覆钛基纳米阵列材料具有有序排列的“壳-核”纳米结构特征，可直接应用于超级电容器的电极材料，具有快速充放电和高电容量的电化学储电性能。具体而言，所述碳包覆钛基纳米阵列材料由无定形碳层完整均匀包覆在氧化钛或氮掺杂氧化钛或氮化钛纳米阵列表面，形成“壳-核”纳米结构，可以有效提升氧化钛或氮掺杂氧化钛或氮化钛基底的电导性和电化学循环稳定性，同时实现快速的电荷传输能力；因此，制得的碳包覆钛基纳米阵列材料兼具高比功率、高比能量和高稳定性的特点，可很好应用于超级电容器电极材料，并在相关电化学领域也有实际应用价值。经电化学性能测试，所述的纳米阵列材料的面积比电容可达94F/cm2，充放电循环稳定性测试2000个循环后比容量仍维持在99％以上。所述碳包覆钛基纳米阵列材料的制备采用种子辅助水热反应法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米线或纳米柱阵列，采用恒电压阳极氧化法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米管阵列，再采用受控氮掺杂处理或完全氮化处理方法制备氮掺杂氧化钛或氮化钛纳米线、纳米柱或纳米管阵列，最后采用水热反应法及高温煅烧处理方法制备碳包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面；所述导电基底(1)上有序排列的“壳-核”纳米结构，所述的核是钛基纳米线、纳米柱或纳米管阵列，所述的壳是无定形碳层；所述钛基包括氧化钛或氮掺杂氧化钛；所述钛基纳米阵列(2)为一组有序排列的单根纳米线、集束纳米线、纳米柱或纳米管。2.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述导电基底(1)包括钛片、导电玻璃、碳布、碳纸、石墨烯膜、碳纳米管膜或多孔碳膜。3.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述单根纳米线直径为10～30nm；集束纳米线直径为20～200nm，长度为1～1.5μm；纳米柱直径为100～300nm，长度为1～1.5μm；纳米管直径为50～100nm，壁厚为10～30nm，长度为3～5μm。4.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述无定形碳层(3)的厚度为3～10nm。5.权利要求1至4任一项所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用种子辅助水热反应法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米线或纳米柱阵列：在导电基底材料表面物理吸附含钛种子液，干燥后置于密封水热反应釜中，加入盐酸、水和钛基前驱体的混合反应液，进行水热反应；反应产物在惰性气体保护下进行高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米线或纳米柱阵列；采用恒电压阳极氧化法及高温煅烧处理制备氧化钛纳米管阵列：在二电极电化学反应体系中，以钛片作为阳极、铂片作为阴极，以乙二醇、水、氟化铵的混合液为反应电解液，进行恒电压阳极氧化反应；反应产物在惰性气体保护下高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米管阵列；(2)采用受控氮掺杂处理方法制备氮掺杂氧化钛纳米阵列：将晶体相步骤(1)制得的氧化钛纳米线、纳米柱或纳米管阵列置于管式气氛炉中，在氨气气氛下进行部分氮掺杂处理，即得氮掺杂氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢一兵，夏池，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32