[发明专利]一种基于氧化钛纳米管的超级电容器电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于氧化钛纳米管的超级电容器电极及其制备方法。室温下，将阳极氧化制备的TiO₂纳米管或各种形貌改性的TiO₂纳米管进行退火处理，并在氢氧化钾溶液中进行电化学还原掺杂，然后在H₂O₂水溶液中浸泡一定时间，最后将浸泡处理的TiO₂电极应用于超级电容器的制备。这种方法无需特殊设备，通过碱性溶液中的电化学掺杂处理，提高TiO₂电极的导电性和电容。通过H₂O₂水溶液的浸泡处理，使晶态TiO₂表面部分晶体转变为非晶，这种非晶包覆晶体的结构有利于掺杂态的稳定，从而提高TiO₂电极电容循环的稳定性；本发明通过碱性溶液中的电化学掺杂处理结合H₂O₂水溶液浸泡，使基于氧化钛纳米管的超级电容器循环寿命大幅提高，从而更好地应用于电化学储能领域。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种简便、廉价、高循环寿命的基于氧化钛纳米管的超级电容器电极及其制备方法。

背景技术

氧化钛是一种n型宽禁带半导体材料，其禁带宽度为3.0~3.2 eV，具有独特的物理化学性能。最近随着纳米材料制备技术的不断创新发展，纳米结构的氧化钛引起人们的广泛关注。其中，氧化钛纳米管因具有更大的比表面积和比表面能，更好的吸附能力和独特的电子传输路径，使其在染料敏化太阳能电池、光催化、超级电容器等领域有广阔的应用前景。尤其对于阳极氧化法制备的氧化钛纳米管，因为是在钛基体上原位生成，钛基体可直接作为集流体，无需粘结剂即可作为超级电容器电极使用，因此，近年来氧化钛纳米管超级电容器电极材料的应用研究逐渐受到重视。

然而，和其他超级电容器电极材料相比，氧化钛纳米管材料的比容较低，不能满足超级电容器的应用要求。为此，人们采用各种方法来提高氧化钛材料的比容，目前主要有两大类方法：掺杂和增大比表面积。例如，朱绪飞等公开了一种提高氧化钛材料比容的方法（专利201310095453.2）：对氧化钛电极进行反向加电压处理，实现对氧化钛的电化学掺杂，增强其电化学性能，提高电极导电性和比容。张驰等公开了一种提高氧化钛电极电容的方法（专利201410413665.5）：通过对氧化钛电极在去离子水或氟盐溶液中的浸泡处理，增大电极的比表面积，从而使其电容性能大幅提高。此外，还有通过将氧化钛纳米管在氟钛酸铵水溶液中水热处理（H. Cui, et al., ElectrochimicaActa 253 (2017) 455-462），或在高温高压水蒸气中处理（H. Fan, et al., Journal of Power Sources 357 (2017) 230-240），改变纳米管微观形貌，增大电极的比表面积和比容。

对于超级电容器而言，除了高比容的要求外，同时要求高的充放电循环寿命，即在充放电循环过程中，电容器的电容应保持稳定。尽管上述方法可以提高氧化钛材料的比容，但其电容循环稳定性较差。例如，阳极氧化法获得的氧化钛纳米管通过电化学掺杂，在2 MLi₂SO₄溶液中，采用循环伏安法测试，循环2500圈后的电容保持率仅为65%（H.Wu, et al. ,ElectrochimicaActa 116 (2014) 129-136）。又如，将氧化钛纳米管常温水泡处理后，在0.5 M浓度的Na₂SO₄溶液中进行电化学掺杂，在2 M Li₂SO₄溶液中，用循环伏安法测试2000圈后的电容保持率为78%（C. Zhang, et al., Journal of Materials Science, 52(2016) 1-7）。这样的循环稳定性无法满足其在超级电容器领域的应用。因此，提高基于氧化钛纳米管的超级电容器电容循环稳定性具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便、高效的提高基于氧化钛纳米管的超级电容器电极循环寿命稳定性的方法，使其能更好地满足储能器件领域的应用要求。