[发明专利]一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法，包括：通过浸渍法在预硝酸处理的微米级酚醛基活性碳纤维内负载过渡金属盐，再通过高温处理得到介孔碳纤维内嵌过渡金属单质或其氧化物纳米颗粒的复合电极材料，继续进行高温氧化/硫化/氮化/磷化还可以得到介孔碳纤维内嵌过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物纳米颗粒的复合电极材料。本发明制备的纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料具有优异的电化学性能，能够应用在超级电容器、锂/钠离子电池以及电催化等能量储存与转化领域。

技术领域

本发明涉及一种用于能量储存与转化领域的纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料，属于材料制备技术领域。

背景技术

近年来，可穿戴的柔性电子器件的需求日益增加，而可弯曲折叠的柔性电池、超级电容器是柔性电子器件的核心部件，其中柔性电极的制备成为不可或缺的关键之一。目前，以碳纤维布为代表的柔性碳基集流体受到广泛关注，其具有优异的可折叠弯曲性能、优良的导电性能、较高的可负载比表面积和质量轻等优点，由其制备的电极相对于传统金属集流体制备的电极具有较高的能量密度，不需使用导电剂和粘结剂，且具有较强的可折叠弯曲性能。同时，基于碳纤维布的电极材料也开始应用于电催化等其它能量储存与转化领域，且取得了一定的进展。

然而，现有的碳纤维布基复合电极均是以碳纤维表面复合活性材料的方式进行制备，包括活性材料的直接涂覆、水热法或电沉积等方法的原位生长以及磁控溅射镀膜等方法。这类方式制备的电极在折叠弯曲过程中表面连续的活性物质结构易损坏，且活性物质直接暴露在电解液中，对于体积效应明显的活性物质，在循环中易脱落导致性能降低。此外，静电纺丝法制备的聚丙烯腈基纳米碳纤维电极材料，具有成本较高、生产效率低、不适合大面积制备以及不环保等缺点。

过渡金属及其氧化物、硫化物、氮化物、磷化物在超级电容器、锂/钠离子电池、电催化等领域的应用由来已久，它们一般具有较好的导电性、较高的能量密度和较好的循环寿命，以及化学性质稳定、安全无污染、廉价易得等特点，因而备受关注，具有广阔的应用前景。目前，为了提高这类材料的电化学性能，将其与碳材料复合、减小其颗粒尺寸等设计思路已经得到了普遍运用

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法，克服了折叠弯曲过程中表面连续的活性物质结构易损坏、循环过程中活性物质易脱落等缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法，通过浸渍法在预硝酸处理的微米级酚醛基活性碳纤维内负载过渡金属盐，再通过高温处理得到介孔碳纤维内嵌过渡金属单质或其氧化物纳米颗粒的复合电极材料，继续进行高温氧化/硫化/氮化/磷化还可以得到介孔碳纤维内嵌过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物纳米颗粒的复合电极材料。

进一步的，微米级酚醛基活性碳纤维的直径尺寸为2-20μm。

进一步的，酚醛基活性碳纤维的预硝酸处理方法为：将碳纤维布浸没在浓硝酸中，浸泡温度为40-120℃，浸泡时间为4-24h。

进一步的，浸渍法的浸渍时间为6-48h，浸渍温度为10-60℃，浸渍选用的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚中的一种或两种。

进一步的，过渡金属具体指Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、Cd、W、Al、Ga、In、Sn、Pb、Bi中的任意一种或多种；所述过渡金属盐为上述过渡金属的硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、氯盐、氟盐、乙酸盐中的任意一种或多种，过渡金属盐的浓度为0.05-2mol/L。

进一步的，将负载过渡金属盐的碳纤维布放置于管式炉中进行高温处理，处理所用的气氛为氮气、氩气、氢气或氩氢混合气，处理温度为600-1500℃，保温时间为0.5-5h。