[发明专利]一种氮化钛-聚吡咯纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮化钛‑聚吡咯纳米复合材料的制备方法和应用，所述方法包括以下步骤：以碳纸作为基底材料在其表面生长二氧化钛纳米纤维膜；将负载二氧化钛纳米纤维膜的碳纸进行氮化处理得到负载氮化钛纳米纤维膜的碳纸；采用常规脉冲伏安法在负载氮化钛纳米纤维膜的碳纸上沉积聚吡咯，得到氮化钛‑聚吡咯纳米复合材料。所形成的氮化钛‑聚吡咯膜层呈多孔结构，具有极大的比表面和极高的孔隙率，这种结构有助于增加聚吡咯的沉积量、比表面积，提高材料的储能性质。本发明制备的氮化钛‑聚吡咯纳米复合材料可很好地用作超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，尤其涉及一种氮化钛-聚吡咯纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着煤、石油、天然气等不可再生资源的日益枯竭，新能源材料与储能器件的开发是目前世界性的重要课题。其中，超级电容器的研究日益得到广泛关注，并成为新型储能器件的一个研究热点。超级电容器，即电化学电容器，具有充放电速度快、充放电效率高、功率密度高、循环寿命长、安全性高以及成本低等众多优点，在电动汽车、移动通信、信息技术、便携式电子器件及航空航天等领域具有广阔的应用前景。

电极材料是决定超级电容器性能的关键因素，其组成和结构对电容器的主要性能(如比电容、内阻和循环寿命)有着决定性的影响。因此，如何制备具有高比能量和高比功率的电极材料是超级电容器研究的核心课题。目前，超级电容器的电极材料主要有碳材料(炭黑、活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等)、金属氧化物(RuO₂、IrO₂、NiO、MnO₂、CoO_x、V₂O₅、MoO₃等)和导电聚合物(聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等及其衍生物)。其中，聚吡咯(polypyrrole,PPy)作为一种典型的导电聚合物，具有电导率高、电化学可逆性强、化学稳定性好、易成膜、无毒、易于制备和掺杂等优点，是一种非常有发展潜力的超级电容器电极材料。然而，单纯以聚吡咯作为电容器电极材料，内阻较大、大功率放电性能和长期充放电循环的稳定性较差。

金属氮化物是一种新型的电极材料，具有优良的导电性和较高的比容量。同时，氮化钛的超高的电导率(4000-55500S·cm^-1)和机械稳定性使之成为非常有发展潜力的超级电容器的电极材料，但是氮化钛纳米材料易从电极的表面脱落，不稳定。

综上所述，现有的超级电容器的电极材料还存在许多缺陷，不能很好地满足实际应用的需求，因此，有必要对超级电容器电极材料进行改进。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种氮化钛-聚吡咯纳米复合材料及其制备方法和应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化钛-聚吡咯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.以碳纸作为基底材料，在其表面生长二氧化钛纳米纤维膜，得到负载二氧化钛纳米纤维膜的碳纸；

S2.将所述负载二氧化钛纳米纤维膜的碳纸进行氮化处理，得到负载氮化钛纳米纤维膜的碳纸；

S3.采用常规脉冲伏安法，在所述负载氮化钛纳米纤维膜的碳纸上沉积聚吡咯，得到氮化钛-聚吡咯纳米复合材料。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101.将碳纸裁剪成一定的尺寸，然后依次采用丙酮和水进行超声洗涤，之后烘干，得到预处理后碳纸；

S102.将钛源加入反应容器中，边搅拌边加入无水乙醇，然后加入冰乙酸，室温下不断搅拌至反应液呈乳白色，得到二氧化钛溶胶；

其中步骤S101与步骤S102可调换顺序；