[發(fā)明專利]一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811491716.0
• 申請(qǐng)日: 2018-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN109637835B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李亮;劉金鑫;喻湘華;黃華波;劉玉蘭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢工程大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/30
• 分類號(hào): H01G11/30;H01G11/46;H01G11/36;H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明;李欣榮

本發(fā)明公開了一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠，首先利用聚吡咯氣凝膠制備氮摻雜碳納米管氣凝膠，然后將其浸漬于多巴胺溶液中進(jìn)行聚合改性，并與ZIF?67復(fù)合形成氮摻雜碳納米管/ZIF?67復(fù)合氣凝膠，最后經(jīng)焙燒而成。本發(fā)明以含有氮原子的聚吡咯氣凝膠為氮摻雜碳納米管的前驅(qū)體，并利用聚多巴胺的自聚合特性實(shí)現(xiàn)氮摻雜碳納米管氣凝膠與四氧化三鈷的有效復(fù)合，涉及的制備方法簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和；所得復(fù)合材料可有效保持氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)，氮摻雜碳納米管氣凝膠可有效分散四氧化三鈷納米顆粒，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)氮摻雜碳納米管的雙電層電容與四氧化三鈷的贗電容相互結(jié)合，適用于超級(jí)電容器等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣凝膠材料、材料化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)

氣凝膠材料是一種固體物質(zhì)的形態(tài)，是世界上密度最小的固體之一，具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、與介觀尺度可控等特點(diǎn)。通常氣凝膠材料為硅氣凝膠與碳?xì)饽z；其中碳?xì)饽z是唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠，可用于雙電層超級(jí)電容器的電極材料。

目前，根據(jù)存儲(chǔ)電能的機(jī)理不同，超級(jí)電容器可分為雙電層電容器和贗電容器。雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料(如活性炭、碳?xì)饽z、碳納米管、石墨烯等)；贗電容器也稱為法拉第準(zhǔn)電容器，其產(chǎn)生機(jī)制與雙電層電容器不同，贗電容器的電極材料主要為金屬氧化物和導(dǎo)電高分子。這些材料的有效復(fù)合將有可能得到電化學(xué)性能優(yōu)良的超級(jí)電容器電極材料。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)金屬氧化物的實(shí)際比電容遠(yuǎn)小于它的理論比電容，這主要是因?yàn)榻饘傺趸镙^低的導(dǎo)電性能，納米尺寸的金屬氧化物容易聚集。目前將碳納米管與金屬氧化物的復(fù)合通常得到的是粉末材料。最近研究表明碳材料的電子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和親水性可以通過雜原子摻雜來改變。與未摻雜的碳材料相比化學(xué)摻雜后的碳材料的比電容通常會(huì)提高。氮元素?fù)诫s既可以提高碳材料的親水性，又能改善碳材料的電化學(xué)性能。然而，目前對(duì)于本身具有納米片層結(jié)構(gòu)的石墨烯與具有納米管狀結(jié)構(gòu)的碳納米管的氮摻雜，一般是通過外加含氮化合物，并進(jìn)行高溫焙燒或是水熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠，它以氮摻雜納米管氣凝膠和ZIF-67為前驅(qū)體，利用多巴胺的自聚合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)氮摻雜納米管氣凝膠和ZIF-67的有效復(fù)合，再經(jīng)焙燒得氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠；所得聚吡咯/ZIF-67復(fù)合氣凝膠可表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性，且涉及的制備方法簡(jiǎn)單、易控，適合推廣應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠，首先利用聚吡咯氣凝膠制備氮摻雜碳納米管氣凝膠，然后將其浸漬于多巴胺溶液中進(jìn)行聚合改性，再依次、反復(fù)浸漬于硝酸鈷的甲醇溶液和2-甲基咪唑的甲醇溶液中制備氮摻雜碳納米管/ZIF-67復(fù)合氣凝膠，最后經(jīng)焙燒得到氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠。

上述一種氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

1)利用聚吡咯氣凝膠在氬氣氛下進(jìn)行煅燒制備氮摻雜碳納米管氣凝膠；

2)將氮摻雜碳納米管氣凝膠浸泡于多巴胺溶液中，調(diào)節(jié)所得混合液的pH值至8～9，對(duì)氮摻雜碳納米管氣凝膠進(jìn)行聚合改性；

3)將經(jīng)步驟2)改性后的氮摻雜碳納米管氣凝膠依次置于硝酸鈷的甲醇溶液和2-甲基咪唑的甲醇溶液中進(jìn)行浸泡處理，重復(fù)上述浸泡步驟，將所得產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，得氮摻雜碳納米管/ZIF-67復(fù)合氣凝膠；

4)將氮摻雜碳納米管/ZIF-67復(fù)合氣凝膠在保護(hù)氣氛下進(jìn)行焙燒，得氮摻雜碳納米管/四氧化三鈷復(fù)合氣凝膠。

上述方案中，所述多巴胺溶液中多巴胺的濃度為3～5mg/mL。

上述方案中，步驟2)中所述聚合改性溫度為室溫，時(shí)間為18～24h。