[發明專利]一種基于苧麻的空心微管電極材料及其合成方法與應用

在審

• 申請號: 202010025099.6
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111146013A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 孫東亞;何麗雯;趙怡燦;陳瑞龍
• 申請（專利權）人: 廈門理工學院
• 主分類號: H01G11/26
• 分類號: H01G11/26;H01G11/32;H01G11/44;H01G11/86
• 代理公司: 廈門智慧呈睿知識產權代理事務所(普通合伙) 35222
• 代理人: 楊唯

本發明公開了一種基于苧麻的空心微管電極材料及其合成方法與應用。其是以苧麻纖維作為碳源，經過碳化處理，得到多孔碳微管。然后以硝酸鈷作為鈷源，以多孔碳微管為載體，通過溶劑熱法，在所述多孔碳微管內壁和外壁上原位生長Co₃O₄納米片，得到復合物。對復合物進行退火處理，獲得基于苧麻的空心微管電極材料。本發明的合成方法簡單，獲得的產物形貌均勻、比表面積大，結合了生物質材料的優勢，且引入了雜原子形成贗電容，使其作為超級電容器的電極材料時具有更好的性能，適用于儲能、轉化、催化劑和其它相關應用領域。

技術領域

本發明屬于納米電極材料合成領域，具體涉及一種基于苧麻的空心微管電極材料及其合成方法與應用。

背景技術

過渡金屬氧化物(TMO)及其復合材料由于具有高理論比電容被認為是理想的贗電容電極材料。因為它們可以形成具有大的表面積納米結構和豐富的氧化態，能實現有效的界面氧化還原過程的電荷轉移。近年來，通過復制棉花、高粱稈和木材等天然物種的精細微納結構，研究者們報道了幾種具有特殊形貌的Co₃O₄基電極材料。其中大部分為致密的塊狀，缺乏有效的電荷輸送通道且易自聚，從而限制了它們潛在高性能的大規模實際應用。因此，迫切需要設計一些具有特殊結構且性能優良的納米復合電極材料來應對這些挑戰。

苧麻(蕁麻科)屬亞灌木或灌木植物，是中國特有的以紡織為主要用途的農作物，是中國國寶，中國的苧麻產量約占全世界苧麻產量的90％以上，在國際上稱為“中國草”。苧麻的主要成分為纖維素，取自苧麻桿的皮層，清潔干燥后，在透射電子顯微鏡(TEM)圖中其形貌呈管狀。天然苧麻纖維具有光滑、柔軟和機械性能優良的特點，主要用作紡織品、工藝品、藥物提取用的纖維改性增強材料等。

發明內容

本發明的目的是提供了一種基于苧麻的空心微管電極材料及其合成方法與應用，通過將生物質前體與其他含雜原子的前體混合處理，得到具有特殊結構且性能優良的納米復合電極材料，以使其作為超級電容器的電極材料時具有更好的性能。

為實現本發明目的，本發明采用如下技術方案。

本發明提供了一種基于苧麻的空心微管電極材料的合成方法，包括以下步驟：以苧麻纖維作為碳源，經過碳化處理，得到多孔碳微管；然后以硝酸鈷作為鈷源，以所述多孔碳微管為載體，通過溶劑熱法，在所述多孔碳微管內壁和外壁上原位生長Co₃O₄納米片，得到復合物；對所述復合物進行退火處理，獲得基于苧麻的空心微管電極材料。

進一步地，碳化處理步驟包括：將所述苧麻纖維切碎，通過超聲波水洗去除水溶性糖和蛋白質，烘干后在Ar氣氛下碳化，得到所述多孔碳微管。

進一步地：碳化的溫度為250～350℃，碳化的時間為0.3～1h。

進一步地，溶劑熱法獲得復合物的步驟包括：將所述多孔碳微管浸入含有所述硝酸鈷的乙醇溶液中，經過超聲波混合后得到固液混合物；將所述固液混合物轉移到高壓反應器中，進行溶劑熱反應后得到反應產物；將所述反應產物經過濾、清洗和干燥后，得到所述復合物。

進一步地，所述乙醇溶液中硝酸鈷的濃度為0.5～1.5mol/L；所述多孔碳微管和含有所述硝酸鈷的乙醇溶液的質量比為1:30～1:70，超聲波混合時間為10～30min。

進一步地，溶劑熱反應溫度為150～250℃，溶劑熱反應時間為8～16h。

進一步地，所述復合物在空氣氣氛下進行退火處理，退火溫度為350～450℃，退火時間為0.5～1.5h。

本發明還提供了一種基于苧麻的空心微管電極材料，根據所述基于苧麻的空心微管電極材料的合成方法得到；所述基于苧麻的空心微管電極材料包括管狀的多孔碳微管，所述多孔碳微管的內壁和外壁均生長有Co₃O₄納米片，用于制作超級電容器的電極。