[发明专利]一种表面呈毛绒状的三氧化二铁纳米管阵列材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种表面呈毛绒状的三氧化二铁纳米管阵列材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一类新型绿色能量存储设备，兼具锂离子电池和传统电解电容器的特点，能在瞬间充放电，可以满足大功率甚至超高领域等特殊要求，且循环寿命超长，在交通、移动通信、信息技术、航空航天和国防科技等领域，具有巨大的应用前景。

根据储能机理的不同，超级电容器电极材料可以分为两类：一类是通过电极材料和电解液界面的双电层储存电荷，属于物理过程，电荷存储密度有限，比电容较低；与之相比，赝电容型电极材料（如过渡金属氧化物/氢氧化物）是在电极表面或体相中的二维或三维空间上，通过电化学活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应存储能量，属于化学过程，其比电容往往比双层型电容器要高得多，是它的10至100倍。

根据超级电容器的结构，可以将超级电容器分为两大类：一类是正负极采用同种电极材料的对称型超级电容器；另一类是以电双层型的碳材料作为负极，赝电容型电极材料作为正极的非对称超级电容器。

较低的能量密度一直是超级电容器的致命弱点。如何在保持较高功率密度的前提下，提高超级电容器的能量密度，是国内外研究的热点，也是发展新一代超级电容器的趋势。根据能量密度的计算公式E=0.5CV²，超级电容器的能量密度可以通过比电容和工作电压两个方面来改善。从比电容的角度看，可以选用具有高比电容的电极材料，如赝电容型电极材料。从工作电压的角度看，可通过选择合适的正极和负极材料，构建非对称超级电容器来拓宽整个电容器的工作电压。非对称超级电容器的材料研究较多的是活性炭，而活性炭的比电容较低，为寻找比电容高的负极材料，提高超级电容器的能量密度，展开了对三氧化二铁材料作为超级电容器电极材料的研究。

发明内容

基于此，本发明提供一种表面呈毛绒状的三氧化二铁纳米管阵列材料及其制备方法，制得的材料比表面积大，导电率高。

本发明技术方案如下：

一种表面呈毛绒状的三氧化二铁纳米管阵列材料，所述材料呈毛绒管状结构，且均匀地沉积在钛片或不锈钢基底表面，沉积阵列长度为2-4μm，直径为50-100nm。

制备所述的三氧化二铁阵列材料的方法，所述方法以硝酸钴为钴源，尿素作为沉淀剂，采用溶剂热合成法制得氢氧化钴纳米线阵列，在此基础上，以氢氧化钴为牺牲模板，以钛片或不锈钢为基底，通过在硝酸铁或者氯化铁溶液中浸泡，并进一步烧结制得毛绒管状三氧化二铁阵列材料。以氢氧化钴为牺牲模板是指：氢氧化钴被硝酸铁或者氯化亚铁反应掉。

所述方法包括以下步骤：

1）将硝酸钴加入去离子水中，搅拌至充分溶解后加入尿素，搅拌均匀，得到物料1；

2）将物料1倒入反应釜内，将钛片基底放入反应釜中，恒温加热后取出，用去离子水冲洗干净并自然凉干，得到物料2；

3）将物料2放入硝酸铁或者氯化铁溶液中浸泡后取出，用去离子水冲洗干净，得到物料3，

4）将物料3在马弗炉中进行烧结；

完成三氧化二铁阵列材料的制作。

所述步骤1）硝酸钴与尿素的摩尔比为1:3~7。选择硝酸钴、尿素：原来容易得到，并且钴的导电性较好。

所述步骤1）搅拌方法为磁力搅拌或超声振荡，磁力搅拌或超声振荡的时间为1-60min。使反应物溶解彻底，有利于反应的进行。

所述步骤2）基底为钛片或者不锈钢片。基底作为材料的支撑，需要具有溶沸点较高，耐腐蚀的特性。

所述步骤2）恒温加热条件为在85-180℃下加热6-12h。

所述步骤3）硝酸铁或者氯化铁溶液的浓度分别为5.6-45mmol/L和6-50mmol/L。溶液的浓度量低于上述值不利于反应的发生，量高于上述值则可能所得产物不再是目标产物，因此需要选择合适的溶液溶度，有利反应顺利进行。

所述步骤3）浸泡时间为8-12h。时间太短，使得反应不完全，时间太长则可能发生其他副反应，因此需要最佳的浸泡时间。

所述步骤4）烧结条件为，在马弗炉中烧结，烧结温度设置：在1-1.5h内将温度从室温至100℃，保持2-2.5h；在3-3.5h内将温度从100℃升至300℃，保持2-2.5h；在3h内将温度从300℃升至450-500℃，保持2h；最后自然冷却。温度采取逐步升高的方法，有利于材料的成型。

本发明优点：

1、本发明通过溶剂热法，简单浸泡，烧结，制备的三氧化二铁阵列材料兼具大比表面积和高电导率的特性；