[发明专利]基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料、制备方法和超级电容器

说明书

一种基于多壁碳纳米管‑碳化木材混合支架的电极材料，包括碳化木片；碳化木片为杉木片经过碳化和活化后形成，碳化木片上形成有管胞结构，管胞结构的内壁上通过化学气相沉积原位锚固生长有多壁碳纳米管使得在碳化木片上形成有MWCNT‑CW支架，并且通过电化学沉积将Co(OH)₂纳米片包裹在多壁碳纳米管上得到基于多壁碳纳米管‑碳化木材混合支架的电极材料。本发明的电极材料制备成为的超级电容器具有很高的储能性能，包括3.31Fcm^‑2的面电容，0.9mWhcm^‑2的能量密度，70mWcm^‑2的功率密度以及在60mAcm^‑2的电流密度下充放电11,000次充电后的电容保持率97.8％。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器的电极材料，尤其涉及一种基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料、制备方法和超级电容器。

背景技术

由于生物质衍生的材料丰富，用途广泛，固有的孔隙率和成本低廉，它们在储能设备的构造中引起了研究人员的极大兴趣。木材中有大量的管胞结构，腔室大小为数十微米，可以碳化以赋予导电性。所得的碳化木支架继承了原始的多孔结构，该结构允许在内部装载活性物质，并使电子能够沿着管胞结构通道快速传输。因此，碳化木是用于储能设备(例如超级电容器)的合适支架。可以将电化学活性物质，例如氢氧化钴、二氧化锰、聚吡咯和聚苯胺进一步引入大孔中以提高比电容。然而，这些活性材料通常与导电支架的整合性较差，这导致在周期性的充电和放电循环期间电容快速衰减，并且在高电流下电容也会大幅下降。活性材料与导电支架的结合以实现有效的电相互作用，对于促进界面处的氧化还原化学作用并从而在存储电荷时实现高电容至关重要。与合成电极相比，先天的孔隙率使碳化木不易进行结构修饰，因此改变每个管胞结构内部的局部形态和表面化学仍然很棘手。

专利2019110011575，基于核壳结构的聚苯铵-碳纳米管电极材料、制备方法和超级电容器；在这个专利里面在杉木片的管胞结构的内壁上生长碳纳米管，并且在碳纳米管的表面沉积一层聚苯铵，从而形成核壳结构。聚苯铵的加入使得电极具有良好的导电性；同时，CNT有效的增大了PANI的结合位点，使得电极能够上载更多的PANI，进一步增大电极电容。CNT与PANI形成的核壳结构，促进了电子的快速传输。但是这个专利里面我们采用了理论比容更高(3460F g^-1)的氢氧化钴作为活性物质，其具有成本低和地球上储量丰富的优势，是最有前途的超级电容器候选电极材料之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有更高储能能力的基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料、制备方法和超级电容器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料，包括碳化木片；所述碳化木片为杉木片经过碳化和活化后形成，所述碳化木片上形成有管胞结构，所述管胞结构的内壁上通过化学气相沉积原位锚固生长有多壁碳纳米管使得在碳化木片上形成有MWCNT-CW支架，并且通过电化学沉积将Co(OH)₂纳米片包裹在多壁碳纳米管上得到基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料。

上述的基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料，优选的，碳化为在250℃的鼓风干燥箱中干燥3-9小时以进行预碳化后将木片放置管炉中在Ar气的保护下加热至1000℃碳化3-9小时。

上述的基于多壁碳纳米管-碳化木材混合支架的电极材料，优选的，所述活化为在750℃下用CO₂气体流动气氛中活化8-12小时，所述CO2的流动速度为60-100sccm。