一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法技术

一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法，它涉及一种制备超级电容器复合材料的方法。本发明专利技术的目的是要解决现有方法制备的氧化钛纳米管复合材料电容器容量小的问题。方法：将表面负载碳的氧化钛纳米管、Pt电极和饱和甘汞电极组成三电极体系，使用CHI660D电化学工作站，采用恒电位沉积法进行化学沉积，得到氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料。本发明专利技术采用电化学还原的方法，使得渗碳后二氧化钛纳米管表面沉积一层锰氧化物，制得氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料，相比于TiO2NT/C复合材料具有更高的电容性能。本发明专利技术可获得一种氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备超级电容器复合材料的方法。
技术介绍
现代社会最有发展前景的电能储存装置应当为超级电容器和电池，众所周知，与电池相比来说，超级电容器具有快速充放电并且使用寿命很长的优点。TiO2是常见的宽禁带半导体，其物理化学稳定、无毒、廉价和良好的光响应，一维纳米结构TiO2由于具有大的比表面积，有利于电化学过程的电荷转移以及电能储存，且克服了纳米TiO2粉体容易团聚的弱点，因而表现出优异的电化学性能。阳极氧化TiO2纳米管阵列能够在提供大的表面积的同时保持高定向的孔洞结构，这样一些高度规则的空洞结构能够显著的改善离子的迁移和电荷的传递。由于二氧化钛纳米管的电阻比较大，所以电容水平有待进一步提高。碳是最常见的双电层电容器电极材料，也是一常见的掺杂元素，因此对氧化钛纳米管阵列进行碳掺杂可有效提高二氧化钛的导电能力，从而提高纳米管阵列电极的电容。锰的氧化物是过渡金属氧化物，具有很高的赝电容，如MnO2氧化锰理论比电容值高达1370F/g，都是很好的超级电容器的电极材料，因此加入锰的氧化物可以显著提高含碳二氧化钛纳米管的电容。但现有方法制备的氧化钛纳米管复合材料电化学性质较差，提升电容器的容量受到限制的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有方法制备的氧化钛纳米管复合材料存在电容器容量小的问题，而提供一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法。一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法是按以下步骤完成的：将表面负载碳的氧化钛纳米管、Pt电极和饱和甘汞电极组成三电极体系，表面负载碳的氧化钛纳米管作为工作电极，Pt电极作为辅助电极，甘汞电极作为参比电极，电解液为0.02mol/L～0.1mol/L的高锰酸钾溶液；使用CHI660D电化学工作站，采用恒电位沉积法进行化学沉积，得到氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料；所述的恒电位沉积法的低电压为-0.1V～-0.2V，高电压为0.7V～0.9V，扫描速率为20mV/s～200mV/s，循环次数为10次～600次。本专利技术的原理：一、本专利技术在二氧化钛纳米管上负载碳，可以减小电阻，增加双电层电容；二、MnO2是一种具有高的比电容的过渡金属氧化物，资源丰富，价格低廉，环境友好，且具有多种氧化形态，被认为是目前最有潜力代替RuO2的物质，将其负载到TiO2纳米管内，形成高比表面积的具有赝电容的电极材料；赝电容能够提供比双电层电容大几十倍的容量，因而如果能够将具有赝电容的材料负载到二氧化钛纳管阵列中，形成高比表面积的具有赝电容的电极材料，就能够很好的改善电容性能，本专利技术利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料，使得氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料中氧化钛纳米管阵列具有大的比表面积的同时保持高定向的孔洞结构，有利于离子的迁移和电荷的传递；三、本专利技术采用气相扩渗的方法，使二氧化钛纳米管表面负载碳均匀，增强二氧化钛纳米管导电性；四、本专利技术采用电化学还原的方法，使得渗碳后二氧化钛纳米管表面沉积一层锰氧化物，制得氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料，相比于TiO2NT/C复合材料具有更高的电容性能，本专利技术制备的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的电容值达400～1872.5F/g，相对于氧化钛纳米管/碳复合材料，最高提高了18倍。本专利技术可获得一种氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料。附图说明图1为实施例一步骤五得到的表面负载碳的氧化钛纳米管的SEM图；图2为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的SEM图；图3为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的SEM图；图4为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的SEM图；图5为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的XPS的全谱图；图6为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的XPS的全谱图；图7为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的XPS的全谱图；图8为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的Mn2p高分辨谱图；图9为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的Mn2p高分辨谱图；图10为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的Mn2p高分辨谱图；图11为氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的交流阻抗曲线，图11中1为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的交流阻抗曲线，2为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的交流阻抗曲线；3为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的交流阻抗曲线；图12不同样品的循环伏安曲线图；其中1为实施例一步骤五得到的表面负载碳的氧化钛纳米管的循环伏安曲线图；2为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的循环伏安曲线图；3为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的循环伏安曲线图；4为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的循环伏安曲线图；图13为复合材料在放电电流密度为0.1mA/cm2的恒流充放电曲线；图13中1为实施例一步骤五得到的表面负载碳的氧化钛纳米管在放电电流密度为0.1mA/cm2的恒流充放电曲线，2为实施例一步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料在放电电流密度为0.1mA/cm2的恒流充放电曲线，3为实施例二步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料在放电电流密度为0.1mA/cm2的恒流充放电曲线，4为实施例三步骤六得到的氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料在放电电流密度为0.1mA/cm2的恒流充放电曲线。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法是按以下步骤完成的：将表面负载碳的氧化钛纳米管、Pt电极和饱和甘汞电极组成三电极体系，表面负载碳的氧化钛纳米管作为工作电极，Pt电极作为辅助电极，甘汞电极作为参比电极，电解液为0.02mol/L～0.1mol/L的高锰酸钾溶液；使用CHI660D电化学工作站，采用恒电位沉积法进行化学沉积，得到氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料；所述的恒电位沉积法的低电压为-0.10V～-0.20V，高电压为0.7V～0.9V，扫描速率为20mV/s～200mV/s，循环次数为10次～500次。本实施方式的原理：一、本实施方式在二氧化钛纳米管上负载碳，可以减小电阻，增加双电层电容；二、MnO2是一种具有高的比电容的过渡金属氧化物，资源丰富，价格低廉，环境友好，且具有多种氧化形态，被认为是目前最有潜力代替RuO2的物质，将其负载到TiO2纳米管内，形成高比表面积的具有赝电容的电极材料；赝电容能够提供比双电层电容大几十倍的容量，因而如果能够将具有赝电容的材料负载到二氧化钛纳管阵列中，形成高比表面积的具有赝电容的电极材料，就能够很好的改善电容性能，本实施方式利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料，使得氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料中氧化钛纳米管阵列具有大的比表面积的同时保持高定向的孔洞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法，其特征在于一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法是按以下步骤完成的：将表面负载碳的氧化钛纳米管、Pt电极和饱和甘汞电极组成三电极体系，表面负载碳的氧化钛纳米管作为工作电极，Pt电极作为辅助电极，甘汞电极作为参比电极，电解液为0.02mol/L～0.1mol/L的高锰酸钾溶液；使用CHI660D电化学工作站，采用恒电位沉积法进行化学沉积，得到氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料；所述的恒电位沉积法的低电压为‑0.10V～‑0.20V，高电压为0.7V～0.9V，扫描速率为20mV/s～200mV/s，循环次数为10次～600次。

【技术特征摘要】
1.一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法，其特征在于一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法是按以下步骤完成的：将表面负载碳的氧化钛纳米管、Pt电极和饱和甘汞电极组成三电极体系，表面负载碳的氧化钛纳米管作为工作电极，Pt电极作为辅助电极，甘汞电极作为参比电极，电解液为0.02mol/L～0.1mol/L的高锰酸钾溶液；使用CHI660D电化学工作站，采用恒电位沉积法进行化学沉积，得到氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料；所述的恒电位沉积法的低电压为-0.10V～-0.20V，高电压为0.7V～0.9V，扫描速率为20mV/s～200mV/s，循环次数为10次～600次。2.根据权利要求1所述的一种利用电化学还原法制备氧化钛纳米管/碳/氧化锰复合材料的方法，其特征在于所述的表面负载碳的氧化钛纳米管是按以下步骤完成的：一、阳极氧化法制备二氧化钛纳米管：①、依次使用120#SiC砂纸、1000#SiC砂纸和2000#SiC砂纸对钛片进行打磨处理，得到表面光亮的钛片；②、依次使用无水乙醇和丙酮分别对表面光亮的钛片进行清洗3次～5次，得到处理后的钛片；二、将电解液加入到无机玻璃电解槽中，处理后的钛片与电源的正极相连接，作为阳极，铜片与电源的负极相连接，作为阴极；采用直流电源进行供电，在电压为18V～22V下反应80min～100min，取出反应后的钛片；步骤二中所述的电解液由NaF和质量分数为85％的磷酸混合而成，溶剂为水；所述的电解液中NaF的浓度为0.12mol/L～0.14mol/L，质量分数为85％的磷酸的浓度为26g/250mL～30g/250mL；三、将反应后的钛片在温度为60℃～80℃下烘干10min～20min，得到氧化钛纳米管；四、将实验室滴渗电炉升温至64℃～65℃，再以80滴/min的滴速向实验室滴渗电炉内滴入渗剂，再在温度为64℃～65℃的条件下保持10min～30min，得到排出空气后的实验室滴渗电炉；步骤四中所述的渗剂为甲醇，体积为300mL；五、将氧化钛纳米管加入到排出空气后的实验室滴渗电炉中，再将排出空气后的实验室滴渗电炉封好，再将实验室滴渗电炉升温至550℃～560℃，再以80滴/min的滴速向排出空气后的实验室滴渗电炉内滴入甲醇和温度为550℃～560℃的条件下进行气相扩渗3h～4h，得到表面负载碳的氧化钛纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚忠平，刘冠杰，赵娅靖，夏琦兴，王建康，李东琦，姜兆华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23