本发明专利技术公开了一种金属氧化物／碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。该制备金属氧化物／碳纳米管复合材料的方法，包括以下步骤：ａ）在乙醇或以表面活性剂为溶质的乙醇溶液中分散碳纳米管得到溶液Ａ；ｂ）在乙醇中溶解可溶性金属盐得到溶液Ｂ；ｃ）在所述溶液Ａ中加入脲得到溶液Ｃ；ｄ）在所述溶液Ｃ中加入水，使水与乙醇的体积比为１∶２５～１∶１２．５，得到溶液Ｄ；ｅ）在所述溶液Ｄ中加入所述溶液Ｂ得到溶液Ｅ；ｆ）将所述溶液Ｅ在１００－１５０℃回流２－２０小时，得到金属氧化物／碳纳米管复合材料的前驱物；ｇ）将所述前驱物在隔绝氧气的环境中，从２０－２５℃按照１℃／分钟的速率加热到３５０℃－４００℃，并保持１小时，得到金属氧化物／碳纳米管复合材料。该方法制备的金属氧化物／碳纳米管复合材料可作为储能器件电极材料应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种金属氧化物/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
材料、能源和信息是现代社会的支柱，也是新世纪所关心的主要问题。新材料 的开发有可能成为新的经济增长点，在很大程度上决定或影响着一门产业的发展。在过去的十几年中，有固定形貌的无机或有机纳米/微米结构不仅在电子、光学、 力学等器件方面有巨大的潜在应用前景，而且由于其独特的性质对化学、物理学、 电子学、光学、材料科学以及生物科学等领域的基础研究有着深远意义。这方面研 究的另一个前沿领域是如何构筑具有新颖特性和功能的新奇复合结构材料。这类复 合结构材料主要由纳米颗粒、纳米棒、纳米片等纳米结构单元结构自组装而成，通 常具有新奇的物理、化学性质和巨大的潜在应用价值，因而倍受人们的关注。制备 这种复合结构材料的主要方法有热还原和氧化法、定向生长法、自组装法、模板辅 助生长法、无模板合成、水热法和湿化学法等。但简单、经济的可控合成复合结构 材料仍然是一种挑战。金属氧化物材料具有资源充足、环境友好和用途广泛等特点。例如，a-Fe203 作为常温下最稳定的铁氧化物，在催化剂、颜料、磁性材料、光电材料、气体传感 器和锂离子电池方面有着广泛的应用，在科学和工业技术上也有重要的意义。Ru02， Ir02， Mn02， NiOx， CoOx， V205， Sn02等过渡金属氧化物纳米材料则表现出很高 的电容行为，可作为很有前途的超级电容器的电极材料。基于金属氧化物电极的超 级电容器不仅利用电极/电解质界面上的双电层，而且利用这一界面上发生的高度可 逆的快速氧化还原反应来储存能量，因而具有很高的法拉第准电容，可达到碳电极 材料的10 100倍。碳纳米管作为另一类重要的纳米材料，由于其具有很高的化学稳定性、很高的 长径比、很强的机械强度、很高的比表面积和很高的导电性，因而在储能器件例如 电容器和二次电池方面有广泛的应用前景。基于金属氧化物与碳纳米管的复合纳米结构可以兼具金属氧化物和碳纳米管 两者的优点，已表现出许多优异的性能，而成为纳米材料研究的一个热点领域。因3此，开发一种简单、经济、适于大规模生产的金属氧化物/碳纳米管复合材料对于高 性能锂离子电池、超级电容器等新型储能器件的发展具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种金属氧化物/碳纳米管复合材料及其制备方法。 本专利技术所提供的金属氧化物/碳纳米管复合材料按照包括以下步骤的方法制备a) 在乙醇或以表面活性剂为溶质的乙醇溶液中分散碳纳米管得到溶液A;b) 在乙醇中溶解可溶性金属盐得到溶液B; C)在所述溶液A中加入脲得到溶液C;d) 在所述溶液C中加入水，使水与乙醇的体积比为1 : 25 1 : 12.5，得到溶液D;e) 在所述溶液D中加入所述溶液B得到溶液E;f) 将所述溶液E在100-15(TC回流2-20小时，得到金属氧化物/碳纳米管复合材 料的前驱物；g) 将所述前驱物在隔绝氧气的环境中，从2o-25'c按照rc/分钟的速率加热到35(TC-40(TC，并保持1小时，得到金属氧化物/碳纳米管复合材料。其中，所述步骤(a)中表面活性剂可为Tween-80、十六烷基三甲基溴化氨 (CTAB)和聚乙烯吡咯垸酮(PVP)中的一种或其任意组合；所述步骤(b)中可溶 性金属盐包括硝酸盐、硫酸盐、氯化物、垸基金属化合物中的一种，以三氯化铁为 例，其浓度为150mg/mL—300mg/mL;所述步骤(c)中脲的浓度可为17mg/mL — 34 mg/mL;所述步骤(d)中水与乙醇的体积比优选为1 : 15;所述步骤(e)中溶液B与溶 液D的体积比可为1 : 10—1 : 20。所述金属氧化物为Fe203、 Fe304、 NiO、 Mn02、 MnO、 CoO、 Co304、 Co203、 Ti02、 Ru02、 Cr203、 Ir02， V205， Sn02中的一种 或其任意组合。所述的碳纳米管可为多壁碳纳米管，其直径可为20nm—200nm。本专利技术所提供的金属氧化物/碳纳米管复合材料可作为储能器件电极材料，如锂 离子电池、超级电容器的电极材料。其中外层金属氧化物作为主要活性物质，碳纳 米管内核作为电子传输通道，从而表现出优异的电化学性能。 与其它现有技术比较，本专利技术具有以下特点1、 本专利技术方法中所使用的可溶性金属盐的浓度较高，能大规模合成金属氧化 物/碳纳米管复合材料，有工业生产的前景。2、 本专利技术的金属氧化物/碳纳米管复合材料的制备方法是通过控制水解反应速率在同一液相内一步完成的，因而具有简单经济、能耗低、操作方便和便于实现规 模化生产的优点。3、 本专利技术方法不涉及不相溶的两个液体相，因而为金属氧化物/碳纳米管复合 材料的分离和应用提供了很大的方便。4、 本专利技术方法中，金属氧化物在溶液中自发生长到碳纳米管表面，只需要对 所用的碳纳米管进行简单的纯化处理，因而避免了对碳纳米管进行繁琐的功能化处 理。5、 本专利技术的金属氧化物/碳纳米管复合材料的制备方法是通过简单的溶液回流、 控制水解速率完成的，因而避免了高温高压的水热反应。6、 本专利技术方法所制备的金属氧化物/碳纳米管复合材料，由于碳纳米管在金属 氧化物/碳纳米管复合材料中起到电子传输通道的作用，作为锂离子电池、超级电容 器等储能器件的电极材料时表现出优异的电化学性能。附图说明图1为表征实施例1中的Fe2(V碳纳米管复合材料的能量色散X光图谱(EDX) 和X射线衍射图谱(XRD):图1左为EDX图谱，1: Fe203/碳纳米管复合材料 的前躯物，2: Fe203/碳纳米管复合材料；图1右为XRD图谱，1: Fe2Cb/碳纳米 管复合材料的前躯物，2: Fe2Cb/碳纳米管复合材料。图2为表征实施例1中的Fe203/碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜(SEM) 照片(a)、 (b)和(c)为不同放大倍率的实施例1中的Fe2(V碳纳米管复合材料的前躯 物；(d)、 (e)和(f)为不同放大倍率的实施例1中的Fe2CV碳纳米管复合材料。图3 (a)和(b)为表征实施例2中的NiO/碳纳米管复合材料SEM照片，(e)和(f) 为表征实施例3中的Ru02/碳纳米管复合材料SEM照片。图4为实施例1中的Fe203/碳纳米管复合材料作为锂离子电池负极材料的电化 学性能图4左为充放电电压-比容量曲线(图中1st、 10th和20th分别表示第一个、 第十个和第二十个循环的充放电电压-比容量曲线)；图4右为循环性能曲线。图5为实施例2中的NiO/碳纳米管复合材料作为超级电容器电极材料的性能 循环伏安曲线。 具体实施例方式本专利技术使用简单的溶液回流方法，通过控制水解反应的速率，大规模合成金属 氧化物/碳纳米管复合材料。该方法在乙醇溶液中通过控制金属离子的水解速度，在碳纳米管表面上自组装一层金属氧化物的前驱物。经过热处理后，最终得到以金属 氧化物为壳、碳纳米管为核的复合材料。本专利技术实施例1中制备Fe203/碳纳米管复合材料的主要步骤如下a) 在反应器中，加入乙醇、表面活性剂和碳纳米管，超声分散得到溶液A;b) 在乙醇中溶解可溶性三价铁盐得到溶液B;c) 在搅拌条件下向溶液A中加入脲，得到溶液C，向溶液C中加入一定量的水 得到溶液D，将溶液B加入溶液D中得到溶液本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备金属氧化物／碳纳米管复合材料的方法，包括以下步骤： ａ）在乙醇或以表面活性剂为溶质的乙醇溶液中分散碳纳米管得到溶液Ａ； ｂ）在乙醇中溶解可溶于乙醇的金属盐得到溶液Ｂ； ｃ）在所述溶液Ａ中加入脲得到溶液Ｃ； ｄ）在所述溶液Ｃ中加入水，使水与乙醇的体积比为１∶２５～１∶１２．５，得到溶液Ｄ； ｅ）在所述溶液Ｄ中加入所述溶液Ｂ得到溶液Ｅ； ｆ）将所述溶液Ｅ在１００－１５０℃回流２－２０小时，得到金属氧化物／碳纳米管复合材料的前驱物；ｇ）将所述前驱物在隔绝氧气的环境中，从２０－２５℃按照１℃／分钟的速率加热到３５０℃－４００℃，并保持１小时，得到金属氧化物／碳纳米管复合材料。
【技术特征摘要】
1、一种制备金属氧化物/碳纳米管复合材料的方法，包括以下步骤a)在乙醇或以表面活性剂为溶质的乙醇溶液中分散碳纳米管得到溶液A；b)在乙醇中溶解可溶于乙醇的金属盐得到溶液B；c)在所述溶液A中加入脲得到溶液C；d)在所述溶液C中加入水，使水与乙醇的体积比为1∶25～1∶12.5，得到溶液D；e)在所述溶液D中加入所述溶液B得到溶液E；f)将所述溶液E在100—150℃回流2-20小时，得到金属氧化物/碳纳米管复合材料的前驱物；g)将所述前驱物在隔绝氧气的环境中，从20-25℃按照1℃/分钟的速率加热到350℃-400℃，并保持1小时，得到金属氧化物/碳纳米管复合材料。2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(a)中表面活性剂为 Tween-80、十六垸基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或其任意组合。3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(b)中可溶性金属盐为 硝酸盐、硫酸盐、氯化物、垸基金属化合物中的一种。4、 根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：万立骏，郑书发，郭玉国，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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