[發明專利]二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列及制備方法和儲能應用

無效

• 申請號: 201110364153.0
• 申請日: 2011-11-17
• 公開（公告）號: CN102418148A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 謝一兵;杜洪秀
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C30B29/66
• 分類號: C30B29/66;C30B29/00;C30B30/02;C25B3/00;H01G9/042
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及一種同心軸中空結構的二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列及其制備方法和超級電容器電化學儲能應用，屬于復合材料領域。

背景技術

導電聚合物應用于超級電容器電極材料是近年來發展起來的一個新的研究領域，其儲能原理是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，導電聚合物發生快速可逆的n型或p型離子摻雜和去摻雜的氧化還原反應，使導電聚合物達到很高的儲存電荷密度。由于氧化還原反應可以在整個體相中進行，其電化學儲電過程不僅包括雙電層存儲電荷，而且還包括電解質離子在電極活性物質中進行可逆氧化還原反應導致的法拉第存儲電荷。與傳統雙電層電容器的靜電容量相比，相同表面積下的比電容量大10-100倍，而且與貴金屬氧化物相比較，導電聚合物具有價格低廉、電導率高以及易于制備等優點，在超級電容器電極材料方面有很好的實際應用優勢。

聚吡咯是一類用途很廣的導電聚合物材料，具有電導率高、穩定性好、摻雜性能獨特、電荷密度高、易于制備的特點，成為優良的超級電容器電極材料。二氧化鈦有序納米管陣列具有較高的化學穩定性和熱穩定性，與其它微結構的二氧化鈦相比，它具有更高的比表面積和界面吸附性。因此，聚吡咯調控修飾二氧化鈦有序納米管可以構建一種二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列，應用于超級電容器電極材料，實現較高比電容量的電化學儲電性能。

發明內容

本發明提供一種二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列，具有同心軸中空結構。本發明提供一種陽極氧化反應和電聚合反應的電化學合成方法制備二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列，該制備方法簡單可行。本發明所述的二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列應用于超級電容器電極材料，實現高比電容量的電化學儲電性能。

本發明采用如下技術方案來實現上述目的：

本發明所述的二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列，包括管墻獨立結構的二氧化鈦納米管陣列和在二氧化鈦納米管內壁面、外壁面上均勻沉積的聚吡咯導電膜，由沉積在二氧化鈦納米管內壁面上的聚吡咯導電膜、二氧化鈦納米管及沉積在二氧化鈦納米管外壁面上的聚吡咯導電膜形成同心軸中空結構的夾套納米管陣列，夾套納米管的管壁厚度范圍為50-80nm，管內直徑范圍為30-90nm，管高度范圍為900-1100nm。

本發明所述的二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列的制備方法，以吡咯單體和高氯酸鋰的乙氰有機溶液為反應電解質溶液，以管墻獨立結構的二氧化鈦納米管陣列作為電極基體材料并作為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，在三電極反應體系中采用電聚合反應合成方法制備二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列。

本發明所述的二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列作為超級電容器電極材料進行電化學儲能的應用。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列的制備方法，電聚合反應合成方法采用脈沖伏安法，以管墻獨立結構的二氧化鈦有序納米管為電極基體，可以調控吡咯單體在二氧化鈦納米管的內壁面、外壁面上形成完整均勻的聚吡咯導電膜，由沉積在二氧化鈦納米管內壁面上的聚吡咯導電膜、二氧化鈦納米管及沉積在二氧化鈦納米管外壁面上的聚吡咯導電膜形成同心軸中空結構的夾套納米管陣列。相比較而言，電聚合反應合成方法采用循環伏安法、恒電流法或者恒電位法，通常合成的聚吡咯在二氧化鈦納米管的管口積聚，不能進入到二氧化鈦納米管的管腔內部。

(2)二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列的制備方法，電聚合反應合成方法采用吡咯單體和高氯酸鋰為反應電解質，低表面張力的乙氰有機溶劑為反應介質，可以在二氧化鈦納米管基體上調控形成完整均勻的聚吡咯導電膜。相比較而言，電聚合反應合成方法采用吡咯單體和磺酸基表面活性劑為反應電解質，水溶劑為反應介質，通常形成聚吡咯顆粒。

(3)二氧化鈦基聚吡咯夾套納米管陣列具有規整有序排列的納米通道，聚吡咯夾套納米管導電膜一方面增加了有效比表面積，另一方面優化了反應離子定向遷移路徑，實現反應離子短程擴散，應用于超級電容器電極材料可以提高電化學儲電性能。相比較而言，聚吡咯顆粒和二氧化鈦納米管列陣的復合材料，聚吡咯顆粒易于納米管口優先聚集而堵塞反應離子擴散通道，降低了電化學反應效率，由此在循環充放電過程中降低了電化學儲電性能。