[發明專利]一種摻雜聚吡咯/二氧化鈦納米管復合材料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201710091749.5
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106784742B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 侯宏英;廖啟書;段繼祥;劉松;姚遠;代志鵬;余成義;李棟棟
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/60;H01M10/054
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本發明公開一種摻雜聚吡咯/二氧化鈦納米管復合材料的制備方法及其應用，以TiO₂納米管為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，以含有對甲基苯磺酸鈉和吡咯的水溶液為電解液，調節pH值為1~2，通過電聚合反應在TiO₂納米管電極表面沉積一層對甲基苯磺酸鈉摻雜的聚吡咯薄膜，并將制備得到的復合材料應用于鈉離子電池；所制備的摻雜聚吡咯與TiO₂納米管結合緊密，中空的TiO₂納米管比表面積大，機械強度與結構穩定性好，摻雜聚吡咯柔韌性好，提供了鈉離子傳輸的通道和空間，二者均為電極活性材料，具有儲能活性，充分發揮了復合材料中兩種組分之間的協同加和效應，復合材料的充/放電比容量及循環穩定性能好；本發明方法簡單、環境友好。

技術領域

本發明涉及一種摻雜聚吡咯/二氧化鈦納米管復合材料的制備方法及其應用，屬于新能源材料的研究領域。

背景技術

目前，鋰離子電池應用領域和需求量均在不斷擴展和增加，然而，地球上鋰資源的匱乏及其昂貴的價格成為限制鋰離子電池進一步發展的瓶頸因素。因此，開發下一代替代鋰離子電池的儲能器件迫在眉睫。相對鋰資源而言, 鈉資源儲量豐富，分布廣泛、廉價易得、環境友好，因此，鈉離子電池被寄予厚望，成為下一代儲能電池的優先選擇。但不容忽視的是，與鋰離子相比，較大的鈉離子半徑導致相應的擴散動力學過程要慢得多，并對鈉離子電池的充/放電性能造成較大的負面影響，對電極材料的要求也更為苛刻，所以，開展與鈉離子電池相適應的電極材料及技術的研究具有重要意義。

三維有序TiO₂納米管具有無毒、比表面積大、結構穩定、高度有序性及儲鈉活性等諸多優點，可以用作鈉離子電池的負極材料，但作為半導體的TiO₂納米管的電導率比較低，限制了其優勢的充分發揮，且無機材料的剛性晶格會抑制體積較大鈉離子的擴散與可逆脫/嵌過程。聚吡咯（PPy) 作為一種導電聚合物，具有毒性低、容易加工設計、來源豐富及環境友好等諸多優點，尤其是聚合物分子長鏈的柔韌性和可移動性為鈉離子在其中的擴散與可逆脫/嵌過程提供了寬松而彈性的空間和路徑，有望改善鈉離子擴散系數和儲鈉性能。與純聚吡咯相比，摻雜后的聚吡咯導電性可以大大提高。同時，有機與無機材料之間的復合可以發揮不同組分之間的協同加和作用，有助于電極材料脫嵌鈉離子性能的改善與提高。

目前，關于聚吡咯與TiO₂的復合多采用化學合成方法，其形貌為納米球顆粒，該方法制備工藝復雜繁瑣，反應時間長，并伴隨著副反應的發生。聚吡咯/二氧化鈦納米管復合材料主要用于光催化等研究領域，基于此，本發明采用電化學方法制備摻雜聚吡咯/TiO₂納米管復合材料，并研究其在鈉離子電池中的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種摻雜聚吡咯/二氧化鈦納米管復合材料的制備方法，具體步驟如下：

（1）采用陽極氧化法制備三維有序TiO₂納米管陣列；

（2）將步驟（1）制備得到的TiO₂納米管陣列作為工作電極，以鉑片為對電極，以飽和甘汞電極為參比電極，以含有對甲基苯磺酸鈉和吡咯的水溶液為電解液，用稀硫酸調節電解液的pH值為1~2，并通過電聚合反應在TiO₂納米管陣列電極表面生成一層薄膜，即得到對甲基苯磺酸鈉摻雜的聚吡咯/TiO₂納米管復合材料。

步驟（2）所述電聚合反應采用循環伏安法，掃描圈數為7~10圈。

步驟（2）所述電解液中對甲基苯磺酸鈉濃度為 0.10 mol/L～0.15 mol/L。

步驟（2）所述電解液中吡咯單體的濃度為 0.10 mol/L～0.20 mol/L。

步驟（2）所述稀硫酸為市購產品。