[发明专利]一种螺旋纳米碳纤维/TiO2

说明书

本发明公开了一种螺旋纳米碳纤维/TiO₂复合材料及其应用，采用液相氧化法对螺旋纳米碳纤维进行改性使其活化，再通过水热法制得螺旋纳米碳纤维负载二氧化钛的复合电极材料。活化的螺旋纳米碳纤维去除螺旋纳米碳纤维表面无定形碳等杂质，增大了空隙体积和比表面积，也增加了表面活性基团，进而增强TiO₂的负载量和结合力，复合材料的分散性较好，团聚较少，且未破坏HCNFs原来的螺旋结构，便于电子的存储和传递。本发明制备的螺旋纳米碳纤维/TiO₂复合材料，比表面积大，具有良好的比容量、循环性能和安全性能，在超级电容器材料领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料，具体涉及一种螺旋纳米碳纤维/TiO₂复合材料，及其应用于超级电容器电极的技术。

背景技术

如今，科技迅速发展，资源消耗迅猛，环境污染也日益严重，人类正面临着资源短缺与环境恶劣两个重要问题。因此，在关注绿色可持续发展的同时高效率利用、开发与储存资源也成为人们关注的重点。超级电容器作为新型的储能装置，具有比容量大、功率密度高、循环寿命长和对环境友好等特点，广泛应用在交通工具、军事设备等领域，已成为全球研究者关注的热点。

超级电容器主要由电极、电解质、隔膜等组成，目前超级电容器主要缺点是能量密度低。如何提高能量密度特性已迫在眉睫。根据E=1/2CV2可知，提高电容器的能量密度可以从提高电极材料的电容(C)着手，因此须对电极材料作进一步的研究和开发。

超级电容器的电极材料主要有碳材料，金属氧化物、导电聚合物及其复合电极材料。碳电极材料是双电层电容器使用最早及使用较广的电极材料，它具有比表面积大、电导率高、化学稳定性好、成本低、可加工性能好等等优点，使得其能够储存的电荷量远远超过电介质电容器，从而在应用过程中能够提供更大的能量密度；同时在实现能量的储存/释放过程中，只存在静电力作用下离子的吸附/脱吸附过程，故双电层电容器的可逆性好，循环寿命相当长。也正因为如此，双电层电容器能快速完成充电过程，并且在放电时也能够为负载提供比电池更大的功率。但它的电荷储存能力相对于其它导电聚合物、金属氧化物等电极材料仍具有很大的差距；赝电容器的电极材料通常采用金属氧化物，通过在电极/电解液界面上发生可逆氧化还原反应或离子注入/抽出以储存能量的，所以相比于双电层电容器，充电时间更长，功率特性会稍差。同时，由于赝电容器在充放电过程中伴随着相变和电极材料微观形貌的改变，所以可逆性、循环寿命性能会稍差。为了得到能量、功率密度高，充放电时间短，循环寿命长的超级电容器，研究者逐渐转向对混合型超级电容器的研究，混合型超级电容器采用双电层电容/赝电容复合材料作为电极材料，而复合电极材料间界面结合力不佳、比表面积较小，易导致能量密度低、电容量较低。因此，基于以上原因需对碳材料进行改性，增大材料比表面积及表面与负载物的结合力，使负载的金属粒子与碳材料基地牢固结合，在充放电的过程中发生氧化还原反应，制备双电层电容/赝电容复合电极材料，以此来提高电容器能量密度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于研究超级电容器电极材料，具体提供一种螺旋纳米碳纤维/TiO₂复合材料，解决现有超级电容器的电极材料比表面积小、复合电极界面结合力差而造成能量密度低的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于超级电容器的螺旋纳米碳纤维/TiO₂复合材料，采用螺旋纳米碳纤维经浓硝酸溶液活化处理；再将其加入乙醇溶液混合，然后滴入钛源后超声处理；经过水热反应、冷却、洗涤、再真空干燥后制得；

其制备方法包括如下步骤：

1）取螺旋纳米碳纤维加入到浓硝酸溶液中，在水浴超声仪中处理；然后加入蒸馏水，再通过砂芯漏斗过滤得到产物，并用乙醇溶液反复清洗所述产物，至溶液呈中性；再将产物真空干燥，得到活化的螺旋纳米碳纤维；