[发明专利]二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列及制备方法和储能应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种同心轴中空结构的二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列及其制备方法和超级电容器电化学储能应用，属于复合材料领域。

背景技术

导电聚合物应用于超级电容器电极材料是近年来发展起来的一个新的研究领域，其储能原理是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，导电聚合物发生快速可逆的n型或p型离子掺杂和去掺杂的氧化还原反应，使导电聚合物达到很高的储存电荷密度。由于氧化还原反应可以在整个体相中进行，其电化学储电过程不仅包括双电层存储电荷，而且还包括电解质离子在电极活性物质中进行可逆氧化还原反应导致的法拉第存储电荷。与传统双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下的比电容量大10-100倍，而且与贵金属氧化物相比较，导电聚合物具有价格低廉、电导率高以及易于制备等优点，在超级电容器电极材料方面有很好的实际应用优势。

聚吡咯是一类用途很广的导电聚合物材料，具有电导率高、稳定性好、掺杂性能独特、电荷密度高、易于制备的特点，成为优良的超级电容器电极材料。二氧化钛有序纳米管阵列具有较高的化学稳定性和热稳定性，与其它微结构的二氧化钛相比，它具有更高的比表面积和界面吸附性。因此，聚吡咯调控修饰二氧化钛有序纳米管可以构建一种二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列，应用于超级电容器电极材料，实现较高比电容量的电化学储电性能。

发明内容

本发明提供一种二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列，具有同心轴中空结构。本发明提供一种阳极氧化反应和电聚合反应的电化学合成方法制备二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列，该制备方法简单可行。本发明所述的二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列应用于超级电容器电极材料，实现高比电容量的电化学储电性能。

本发明采用如下技术方案来实现上述目的：

本发明所述的二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列，包括管墙独立结构的二氧化钛纳米管阵列和在二氧化钛纳米管内壁面、外壁面上均匀沉积的聚吡咯导电膜，由沉积在二氧化钛纳米管内壁面上的聚吡咯导电膜、二氧化钛纳米管及沉积在二氧化钛纳米管外壁面上的聚吡咯导电膜形成同心轴中空结构的夹套纳米管阵列，夹套纳米管的管壁厚度范围为50-80nm，管内直径范围为30-90nm，管高度范围为900-1100nm。

本发明所述的二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列的制备方法，以吡咯单体和高氯酸锂的乙氰有机溶液为反应电解质溶液，以管墙独立结构的二氧化钛纳米管阵列作为电极基体材料并作为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，在三电极反应体系中采用电聚合反应合成方法制备二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列。

本发明所述的二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列作为超级电容器电极材料进行电化学储能的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列的制备方法，电聚合反应合成方法采用脉冲伏安法，以管墙独立结构的二氧化钛有序纳米管为电极基体，可以调控吡咯单体在二氧化钛纳米管的内壁面、外壁面上形成完整均匀的聚吡咯导电膜，由沉积在二氧化钛纳米管内壁面上的聚吡咯导电膜、二氧化钛纳米管及沉积在二氧化钛纳米管外壁面上的聚吡咯导电膜形成同心轴中空结构的夹套纳米管阵列。相比较而言，电聚合反应合成方法采用循环伏安法、恒电流法或者恒电位法，通常合成的聚吡咯在二氧化钛纳米管的管口积聚，不能进入到二氧化钛纳米管的管腔内部。

(2)二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列的制备方法，电聚合反应合成方法采用吡咯单体和高氯酸锂为反应电解质，低表面张力的乙氰有机溶剂为反应介质，可以在二氧化钛纳米管基体上调控形成完整均匀的聚吡咯导电膜。相比较而言，电聚合反应合成方法采用吡咯单体和磺酸基表面活性剂为反应电解质，水溶剂为反应介质，通常形成聚吡咯颗粒。

(3)二氧化钛基聚吡咯夹套纳米管阵列具有规整有序排列的纳米通道，聚吡咯夹套纳米管导电膜一方面增加了有效比表面积，另一方面优化了反应离子定向迁移路径，实现反应离子短程扩散，应用于超级电容器电极材料可以提高电化学储电性能。相比较而言，聚吡咯颗粒和二氧化钛纳米管列阵的复合材料，聚吡咯颗粒易于纳米管口优先聚集而堵塞反应离子扩散通道，降低了电化学反应效率，由此在循环充放电过程中降低了电化学储电性能。