一种核-壳结构电极材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种核‑壳结构电极材料的制备方法，其包括如下步骤：一、SiO

【技术实现步骤摘要】
一种核-壳结构电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种新型核-壳结构电极材料的制备方法，属于电化学和无机材料领域。
技术介绍
电极材料的结构性能对超级电容器的各项技术指标起着决定性作用。相比于其他电极材料，碳材料作为双电层电容器的电极，能量密度相对较低、并不能满足实际需要。为了提高碳材料的比电容，目前主要通过提高碳材料的比表面积、引入杂原子、与过渡金属化合物或聚合物复合等方法提高其能量密度和功率密度。比表面积的提高主要是为了提高电解液与活性材料之间的浸润性。因此大比表面积(500～3000m2/g)的高孔隙率碳材料是此种电极材料的典型代表。相比于其他碳材料，碳纳米纤维和碳纳米管由于具有大的长径比和大比表面积使其在光催化、气体传感、太阳能电池、储氢和电容器电极等领域上具有广泛应用。大比表面积的碳纳米管是一种理想的超级电容器的电极材料。例如，Chen等采用化学气相沉积法在氧化铝模板上制备垂直碳纳米管阵列，除去模板后在碳纳米管阵列底部溅射上一层金箔作为超级电容器电极。测得电极比电容为365F/g，并具有良好的循环稳定性(ChenQL,XueKH,ShenW,etal.,ElectrochimicaActa,2004,49,4157)。对碳纳米管进行化学改性或与其他材料复合，可以极大提高其电化学性能，为进一步研究高能量密度的超级电容器电极材料提供基础。Pint等以在单晶硅基底上生长的垂直单壁碳纳米管阵列作为模板，采用钛/金层作为粘结剂将阵列转移到Cu导电基底上，然后在碳纳米管阵列上均匀地覆盖纳米级的氧化铝电介质层，这种材料兼顾了高功率和高能量密度，可进一步应用在微芯片和柔性设备等超轻量的能源储存器件上(PintCL,NicholasNW,XuS,etal.,Carbon,2011,49:4890)。然而采用热致相分离法制备碳纳米管却无相关文献报道。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种核-壳结构电极材料的制备方法。一种核-壳结构电极材料的制备方法，其包括如下步骤：S1、制备SiO2纳米纤维；S2、利用所述SiO2纳米纤维制备微孔碳纳米管；S3、利用所述微孔碳纳米管制备氮掺杂微孔碳纳米管；S4、利用所述氮掺杂微孔碳纳米管制备氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳材料；S5、将所述氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳结构材料、乙炔黑和PTFE在无水乙醇中分散均匀后，涂覆在泡沫镍上，经真空干燥、压片，得到所述核-壳结构电极材料。作为优选方案，所述SiO2纳米纤维的制备方法为：将聚乙烯醇缩丁醛溶解于N,N-二甲基甲酰胺/二甲亚砜二元混合溶剂中后，滴加正硅酸四乙酯，混匀得到淬火溶液；将所述淬火溶液在-40～-10℃下淬火后，用蒸馏水除去N,N-二甲基甲酰胺/二甲亚砜二元混合溶剂，经过洗涤、干燥，得到聚乙烯醇缩丁醛/SiO2复合纳米纤维；将所述聚乙烯醇缩丁醛/SiO2复合纳米纤维在500～700℃下煅烧，得到SiO2纳米纤维。作为优选方案，所述淬火溶液中，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为4～6％，正硅酸四乙酯的质量浓度为0.4～0.8％。作为优选方案，所述微孔碳纳米管的制备方法为：将SiO2纳米纤维和糠醇加入丙酮中，混匀后，加入对甲基苯磺酸，常温下磁力搅拌，进行固化；将固化产物在150℃下保温后，在800～1500℃的氮气氛中煅烧；将煅烧产物在氢氧化钠乙醇溶液中浸泡12h，去除二氧化硅模板，最后干燥得到微孔碳纳米管。作为优选方案，所述SiO2纳米纤维与糠醇的质量比为1：(5～10)。作为优选方案，所述氮掺杂微孔碳纳米管的制备方法为：将微孔碳纳米管、苯胺、盐酸、十二烷基磺酸钠混匀后，滴加入过硫酸铵溶液，在0～5℃下反应，得到聚苯胺/微孔碳纳米管复合物；将所述聚苯胺/微孔碳纳米管复合物用质量浓度为0.5％的NH4Cl溶液活化、洗涤、干燥，得到活化产物；氮气保护下，将所述活化产物从25℃升温到300℃，保温2h，接着从300℃升温到1000℃，保温2h，得到氮掺杂微孔碳纳米管。作为优选方案，所述微孔碳纳米管与苯胺的质量比为1：(2～4)。作为优选方案，所述氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳材料的制备方法为：将氮掺杂微孔碳纳米管、苯胺、盐酸、十二烷基磺酸钠混匀后，滴加入过硫酸铵溶液，在2℃下反应后，得到氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳材料。作为优选方案，所述氮掺杂微孔碳纳米管与苯胺的质量比为1：(10～15)。作为优选方案，所述氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳结构材料、乙炔黑和PTFE的质量比为8：1：1。本专利技术的基本原理为：1)以聚乙烯醇缩丁醛为聚合物模板，正硅酸四乙酯为前驱体，通过热致相分离法得到PVB/SiO2复合纳米纤维，煅烧除去聚合物模板得到SiO2纳米纤维。2)以SiO2纳米纤维为模板、糠醇为碳源聚合得到聚糠醇@SiO2纳米纤维，氮气保护下，碳化该纤维得到微孔碳@SiO2纳米纤维，洗涤除去模板SiO2得到微孔碳纳米管。3)以微孔碳纳米管为基体，苯胺为氮源，依次经过聚合、预氧化、高温碳化，得到氮掺杂微孔碳纳米管。4)苯胺负载到碳纳米管表面得到氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳结构电极材料。本专利技术的有益效果在于：1)核-壳结构为微孔纳米结构，比表面积大大提高，提高电解液与电极材料之间的浸润性；2)核-壳结构形成了三维交织网状结构，有利于氧还过程中电极材料内部电子以及离子的快速传输，进一步提高电极材料的比电容量；3)氮元素的掺杂，提高了碳纳米管的活性位点，使其在氧还同时能够表现出更好的性能；4)氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳结构材料中，微孔碳纳米管为电极提供大比表面积和良好的导电性、聚苯胺为复合纤维提供了大比电容，克服了单一碳基材料的缺点。提高了电极材料的比电容和循环使用次数。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术制备的一种核-壳结构电极材料的制备路线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1本实施例提供的一种核-壳结构电极材料的制备方法，制备路线如图1所示，具体包括如下步骤：一、SiO2纳米纤维的制备将1.8g聚乙烯醇缩丁醛溶解在20gN,N-二甲基甲酰胺和15g二甲亚砜二元混合溶剂中，50℃磁力搅拌5h溶解，形成溶液A；将0.2g正硅酸四乙酯滴加到所述溶液A中，继续搅拌2h，得到前驱体淬火溶液B；将所述前驱体淬火溶液B在-20℃下淬火3h后，淬火结束后，浸泡在蒸馏水中，除去混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核-壳结构电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、制备SiO

【技术特征摘要】
1.一种核-壳结构电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备SiO2纳米纤维；
S2、利用所述SiO2纳米纤维制备微孔碳纳米管；
S3、利用所述微孔碳纳米管制备氮掺杂微孔碳纳米管；
S4、利用所述氮掺杂微孔碳纳米管制备氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳材料；
S5、将所述氮掺杂微孔碳纳米管@聚苯胺核-壳结构材料、乙炔黑和PTFE在无水乙醇中分散均匀后，涂覆在泡沫镍上，经真空干燥、压片，得到所述核-壳结构电极材料。


2.如权利要求1所述的核-壳结构电极材料的制备方法，其特征在于，所述SiO2纳米纤维的制备方法为：
将聚乙烯醇缩丁醛溶解于N,N-二甲基甲酰胺/二甲亚砜二元混合溶剂中后，滴加正硅酸四乙酯，混匀得到淬火溶液；
将所述淬火溶液在-40～-10℃下淬火后，用蒸馏水除去N,N-二甲基甲酰胺/二甲亚砜二元混合溶剂，经过洗涤、干燥，得到聚乙烯醇缩丁醛/SiO2复合纳米纤维；
将所述聚乙烯醇缩丁醛/SiO2复合纳米纤维在500～700℃下煅烧，得到SiO2纳米纤维。


3.如权利要求2所述的核-壳结构电极材料的制备方法，其特征在于，所述淬火溶液中，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为4～6％，正硅酸四乙酯的质量浓度为0.4～0.8％。


4.如权利要求1所述的核-壳结构电极材料的制备方法，其特征在于，所述微孔碳纳米管的制备方法为：
将SiO2纳米纤维和糠醇加入丙酮中，混匀后，加入对甲基苯磺酸，常温下磁力搅拌，进行固化；
将固化产物在150℃下保温后，在800～1500℃的氮气氛中煅烧；
将煅烧产物在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞来，梁松，张根延，李泽彪，赵瑨云，
申请(专利权)人：晋江瑞碧科技有限公司，武夷学院，
类型：发明
国别省市：福建;35