[發明專利]一種石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811287039.0
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109659142B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 李高仁;王輝;何序駿
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/32
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

本發明涉及超級電容器電極材料領域，更具體地，涉及一種石墨碳/金屬氮化物雙壁納米管陣列及其制備方法。本發明通過ZnO模板法電沉積法實現金屬氧化物附著在石墨碳層的表面和石墨碳和金屬氮化物對ZnO納米棒的雙層包覆，通過對金屬氧化物的氮化處理和酸洗，從而制備出石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列。本發明所述的制備方法能實現石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列的可控合成，并調控石墨碳層和金屬氮化物層各層厚度，可顯著提高金屬氮化物的導電性，提高電活性物種的傳輸速度，提高電極材料的性能。工藝簡單，適合規模化或工業化生產，制備的石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列具有優越的超電容性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器電極材料領域，更具體地，涉及一種石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列及其制備方法和應用。

背景技術

超級電容器的關鍵部件是電極材料，它的性能決定著超級電容器的性能。納米管陣列電極因高度有序及大比表面積等獨特的形貌優勢，廣泛用于高性能超級電容器電極材料的研究。過渡金屬氧化物MnO₂、NiO、Co₃O₄、氫氧化物Co(OH)₂、Ni(OH)₂、鋰離子電極材料Li₄Ti₅O₁₂、H₂Ti₆O₁₃等由于廉價、電容性能高等優點，作為超級電容器電極材料已引起了科學家們的廣泛關注。然而，上述材料的一個致命缺點是導電性差，嚴重影響著電極的充放電速率、能量密度和功率密度，已成為電容器電極材料發展的一個重要瓶頸。金屬氮化物由于高導電性而受到廣泛關注，可用于提高電容器材料的導電性能。但目前，如何將金屬氮化物與納米管陣列結合，形成復合納米管陣列，協同提高材料的導電性能一直是金屬氮化物納米管陣列導電材料的研究難點。目前具有優越電化學性能的石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列已成為該領域的研究熱點及難點，超級電容器電極材料中石墨碳與金屬氮化物形成納米管仍是一大難點。

本發明通過將過渡金屬氮化物與石墨碳復合形成具有高導性的有序復合納米管陣列，可以顯著提高過渡金屬氮化物的電子、離子傳輸性能，充分發揮納米結構中豐富的界面優勢和協同效應，從而可得到低成本、高性能的復合電極材料，為超級電容器生產提供了一種高導電性能的電極材料。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，為了克服現有技術中超級電容器電極材料中石墨碳與金屬氮化物形成納米管的難點，提供一種石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列。

本發明的另一目的在于提供一種石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列的制備方法。

本發明的另一目的在于提供石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列在超級電容器電極材料中的應用。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種石墨碳/金屬氮化物復合納米管陣列，由石墨碳和金屬氮化物復合形成石墨碳/金屬氮化物雙壁納米管陣列。

相對于其他形狀的納米陣列電極材料，比如片狀材料的堆積，石墨碳/金屬氮化物雙壁納米管陣列的管狀結構能夠增大材料的比表面積，提高電極材料的電容量，有利于提高其充放電速度，進而提高材料整體的導電性能。

通過石墨碳和金屬氮化物復合，可顯著提高金屬氮化物的導電性，提高電活性物種的傳輸速度，同時可以很好地抑制電極材料的團聚，提高電極材料的性能。

優選地，所述金屬氮化物為氮化猛、氮化鈷、氮化鐵、氮化鎳或氮化錳鈷。金屬氮化物的導電性一般高于金屬氧化物，所以有利于實現電容材料需要的快速電子傳輸性能。不同金屬氮化物的導電性有一定差異，將氮化物與石墨碳復合能夠進一步提升整體電容材料的導電性。

優選地，所述石墨碳/金屬氮化物雙壁納米管陣列的管徑為300～1000nm，長度為1～20μm，石墨碳壁厚度為20～200nm，金屬氮化物壁厚度為20～400nm。