[发明专利]一种高能量密度和长寿命氧化锰/氧氮化钛超级电容材料及制备

说明书

技术领域

本发明涉及制备一种高功率密度及高能量密度、长寿命的MnO₂/TiO_1-xN_x超级电容材料及制备方法。

背景技术

当今世界遇到能源短缺和环境污染两大难题，制约着人类的可持续发展。开发清洁的可再生能源是当务之急。内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型动力装置。混合动力、燃料电池和化学电池的研究与开发已经取得了部分成效，但是遇到成本高、结构复杂等缺点。超级电容器(supercapacitor或者ultracapacitor)，又称为电化学电容器(electrochemical capacitor)，是建立在物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种电容器。超级电容器具有高功率密度、成本低、安全性高、环境友好等特点，可以部分或全部替代传统的化学电池。正因为如此，世界各国，尤其是西方发达国家都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。

超级电容器从储能机理上面分双层电容器和赝电容器。双层电容器具有高功率密度和长寿命，但是能量密度比较低，在实际应用中收到极大的限制。而赝电容器虽然能量密度比较高，但是功率密度比较低，充放电的循环寿命比较低。如何提高赝电容器的功率密度和循环寿命是近年来人们的研究热点。

发明内容

本发明的目的是，提出一种高功率密度、高能量密度和长寿命的MnO₂/TiO_1-xN_x超级电容材料及制备方法，促进超级电容器的实际应用。

制备氧化锰/氧氮化钛（MnO₂/TiO_1-xN_x）材料的方法，其特征是包括如下步骤：

（1）利用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管：将50±10微米厚度、纯度为99.8%的钛金属箔片作为阳极，其中一面与乙二醇电解液（电解液含10%质量比的水和0.1M氟化铵）接触，阴极也采用钛金属箔制作而成；电解液的稳定保持恒定20±5℃,阳极和阴极之间的电压保持50±8V，阳极氧化后，样品用超声清洗，获得干净的TiO₂纳米管阵列；

（2）将步骤（1）制备的TiO₂纳米管阵列在管式炉中氨气气氛下以如下温度保温并在600℃－900℃氮化处理35±15分钟，获得氧氮化钛TiO_1-xN_x纳米管阵列，0.6≥x>0；

（3）在步骤（2）制备的TiO_1-xN_x纳米管阵列表面沉积二氧化锰纳米层；在电化学沉积前，钛箔上的TiO_1-xN_x纳米管阵列用0.05M KOH水溶液清洗10分钟，然后再用蒸馏水反复清洗；电化学沉积MnO₂的电解液为0.1M醋酸锰，沉积温度为40±8℃，沉积电压为0.2-0.9V_SCE。二氧化锰在TiO_1-xN_x纳米管阵列表面沉积，二氧化锰的质量用高精度天平(METTLER TOLEDO,MX5)称量；MnO₂在与TiO_1-xN_x质量比是0.5－1.5：1。

上述MnO₂/TiO_1-xN_x（0.6≥x>0）中，MnO₂与TiO_1-xN_x质量比是0.5－1.5：1在制备超级电容的应用，其中在700±25℃制备的TiO_0.54N_0.46的电容性能最好而且具有良好的稳定性，10万次充放电循环没有衰减。MnO₂充当赝电容材料，TiO_0.54N_0.46充当导电衬底，收集电流。MnO₂/TiO_1-xN_x在高能量密度24.8Wh kg^-1下，还能达到高功率密度139kW kg^-1（以MnO₂的质量计）。