[發明專利]二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510243215.0
• 申請日: 2015-05-13
• 公開（公告）號: CN104934232B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 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: H01G11/28
• 分類號: H01G11/28;H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 沈振濤

技術領域

本發明涉及一種同心軸中空結構的二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料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

超級電容器的電化學性質是由電極材料和電解質兩部分決定的，其中電極材料是決定電化學電容器能量密度和功率密度的關鍵因素。導電聚吡咯電極材料具有較好的機械柔韌性和較高的電化學電容性能，但是聚吡咯電極材料同樣具有缺陷。首先，導電聚吡咯的電導率不高(電導率低于100S cm^-1)，電化學充放電過程容易產生較高的壓降，降低超級電容器的工作電壓；其次，聚吡咯電極材料在連續摻雜/去摻雜電解質離子過程中，導致導電聚吡咯的骨架不斷的膨脹/收縮，一定程度上破壞了電極材料的穩定性。因此，以聚吡咯為基體，采用物理化學方法添加各種導電填料，得到既具有一定導電功能,又具有良好電化學穩定性能的復合材料。

目前，采用過渡金屬氧化物或石墨粉填料改性的聚吡咯復合電極，盡管可以提高電化學電容性能，但是由于電導性提升不明顯，聚吡咯電極的穩定性仍然不理想。碳納米管、石墨烯和碳纖維等碳材料作為高性能導電填料在導電復合電極材料領域得到很好發展，碳材料的導電性能與其結構性、比表面積和表面化學特性等因素有關。碳材料的粒徑越小、表面活性基團含量越少，則其導電性能越好。碳量子點作為一種新型的碳納米材料，其尺寸小于10nm，具有準球形結構和高比表面特征，碳量子點應用于導電填料不僅增強了復合材料的導電性能，自身納米尺寸效應和量子效應也增強了復合材料的機械性能和穩定性能。

發明內容

發明目的：本發明提供一種二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料及其制備方法，所述的納米陣列材料在超級電容器電極中的電化學儲能應用。

技術方案：本發明提供了二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料，包括管壁獨立結構的二氧化鈦或氮化鈦納米管陣列，以及二氧化鈦或氮化鈦納米管內壁面和外壁面上均勻沉積的碳量子點修飾的聚吡咯導電膜；由二氧化鈦或氮化鈦納米管內壁面上均勻沉積的碳量子點修飾的聚吡咯導電膜(1)、二氧化鈦或氮化鈦納米管陣列(2)以及二氧化鈦或氮化鈦納米管外壁面上均勻沉積的碳量子點修飾的聚吡咯導電膜(3)形成同心軸中空結構的納米管復合材料。

作為優選，所述碳量子點修飾的聚吡咯導電膜，是由碳量子點均勻分散在聚吡咯高分子鏈上形成的均勻光滑的碳量子點修飾的聚吡咯導電膜，且完整覆蓋在二氧化鈦或氮化鈦納米管內壁面和外壁面上，其中碳量子點粒徑范圍為3-7nm。

作為另一種優選，所述二氧化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料，其管壁厚度范圍為65-115nm，管內直徑范圍為35-90nm，管高度范圍為0.9-1.2μm；所述氮化鈦納米管支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料，其管壁厚度范圍為15-35nm，管內直徑范圍為30-55nm，管高度范圍為1.0-1.3μm。

本發明還提供了二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用恒電壓電解方法制備碳量子點：構建三電極電化學反應體系，以石墨棒為工作電極、鉑片為對電極、甘汞電極為參比電極，以0.1M磷酸二氫鉀水溶液為反應電解質溶液，設定恒定電壓為3.0V，反應時間為3-6h，即得0.001-0.01M碳量子點水溶液；

(2)采用電聚合沉積方法制備二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料：構建三電極電化學反應體系，以聚吡咯、高氯酸鋰、碳量子點混合水溶液為反應電解質溶液，以管壁獨立結構的二氧化鈦或氮化鈦納米管陣列作為電極支撐基底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，采用電聚合反應合成方法，二氧化鈦或氮化鈦納米管內壁面與外壁面上均勻沉積形成碳量子點修飾的聚吡咯導電膜，得到二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料。

步驟(2)中，所述電聚合反應合成方法采用階梯波伏安法，所述的階梯波伏安法工藝條件為：初始電位為0.7V，終止電位為1.1V，電位增量為0.001V s^-1，掃描段數為2，采樣寬度為0.02s，階躍周期為1-3s。

步驟(2)中，所述聚吡咯、高氯酸鋰、碳量子點混合水溶液中，聚吡咯濃度為0.1-0.2M，高氯酸鋰濃度為0.05-0.15M，碳量子點濃度為0.001-0.01M。

本發明還提供了二氧化鈦或氮化鈦支撐的碳量子點修飾聚吡咯納米陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲能的應用。