一种氧化钼/碳包覆氮化钛纳米管阵列复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料及其制备方法和应 用，属于电化学新能源新材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 面临化学能源日渐枯竭、环境污染日益严重、地球溫室效应不断加剧等问题，新能 源开发、节能减排、环境保护等新型技术的开发已成为人类极其重要和迫切的课题。新能源 产业在国民经济中扮演着越来越重要的角色。随着风力发电、光伏发电、可移动电子设备等 领域的快速发展，高性能储能器件已经逐渐成为新能源转化和利用的技术瓶颈。
[0003] 电化学电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高、静电容量高和循环寿 命比裡离子电池更长的优点，有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。高 性能的电化学超级电容器可W应用于电动自行车、纯电动力或混合动力汽车的新能源动力 装置，还可W拓展到太阳能、风能等可再生资源，形成我国绿色新能源产业的有机整体。目 前用于超级电容器的电极材料主要是高比表面积的活性炭材料。氮化铁具有良好的导电性 和机械稳定性，是一种新型的很有前景的电极材料，氮化铁已经被广泛的应用于光敏太阳 能电池，燃料电池和超级电容器之中，有序多孔结构的氮化铁具有高的比表面积和适宜离 子扩散的通道，高电导性氮化铁通常被用作电极基底材料，而氮化铁对裡离子可逆嵌入/脱 嵌性能一般。
[0004] 目前，现有技术中氮化铁材料虽然具有良好的导电性和机械稳定性，但是导电效 果仍然不够理想，而且在电解质溶液中，特别是酸性溶液中的耐电化学腐蚀性能不够理想， 充放电循环稳定性差。
【发明内容】
[000引发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化钢/碳包覆氮化铁纳米 管阵列复合材料及其制备方法和应用，兼具高的能量密度和功率密度W及充放电循环稳定 性。
[0006] 技术方案:为了实现上述发明目的，本发明公开了一种氧化钢/碳包覆氮化铁纳米 管阵列复合材料，包括氧化钢纳米膜和碳包覆氮化铁纳米管阵列膜;所述氧化钢纳米膜作 为储电活性层，碳包覆氮化铁纳米管阵列膜导电基底层，氧化钢纳米膜完全覆盖在碳包覆 氮化铁纳米管阵列膜的表面，形成一体化结构的氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材 料;所述氧化钢纳米膜具有纳米颗粒组装而成的微孔膜结构，碳包覆氮化铁纳米管阵列具 有管壁相连、有序紧密排列的纳米管阵列结构。
[0007] 作为优选，所述氧化钢纳米膜是由氧化钢纳米颗粒组装而成的微孔膜，氧化钢纳 米颗粒直径为50-90nm，纳米膜厚度为100~400nm，微孔膜结构的孔直径为300~800nm。
[000引作为另一种优选，所述碳包覆氮化铁纳米管阵列是由氮化铁纳米管W及包覆在氮 化铁纳米管内壁面上完整碳层构成，所述完整碳层即为碳包覆层，碳包覆层厚度2-lOnm，氮 化铁纳米管壁厚度为20~40nm，管直径为100~150nm，管高度为1~祉m。
[0009] 本发明还提供了所述氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料制备方法，包括 W下步骤：
[0010] (1)阳极氧化及般烧法制备二氧化铁纳米管阵列材料：
[0011] 建立两电极电化学反应体系，W铁片作为阳极，销片作为阴极，氣化锭和水的乙二 醇溶液作为反应电解质溶液，通过恒电压阳极氧化反应制备无定型态二氧化铁纳米管阵列 材料;然后将无定型态二氧化铁纳米管阵列在空气气氛中进行高溫般烧处理制得晶体相二 氧化铁纳米管阵列材料。
[0012] 作为优选，所述恒电压阳极氧化反应条件为:反应电解质溶液为质量百分比浓度 0.25%氣化锭和质量百分比浓度1%水组成的乙二醇溶液，反应电压为60V，反应时间为化， 恒溫反应溫度为25°C;所述高溫般烧处理条件为:室溫到300°C升溫速率为5°C/min，30(TC 恒溫保持时间0.化，300 °C到450 °C升溫速率为2 °C /min，450 °C恒溫保持时间化。
[0013] (2)高溫氮化法制备氮化铁纳米管阵列材料
[0014] 将上述晶体相二氧化铁纳米管阵列放入真空管式炉中，在氨气气氛下进行高溫氮 化处理，自然降溫至室溫，制得氮化铁纳米管阵列材料。
[0015] 作为优选，所述高溫氮化处理条件为:氨气浓度为99.6 %，氨气流量为40~60mL/ 111111;室溫到300°(：升溫速率为5°(：/111111，300°(：到700°(：升溫速率为2°(：/111111，700°(：到900°(：升 溫速率为rC /min，900 °C恒溫保持时间化。
[0016] (3)有机碳源碳化法制备碳包覆氮化铁纳米管阵列材料
[0017] 将上述氮化铁纳米管阵列材料完全浸入薦糖水溶液中，进行有机碳源浸溃吸附处 理，自然干燥后放入真空管式炉中，在氮气的气氛下高溫碳化处理，自然降溫至室溫，制得 碳包覆氮化铁纳米管阵列材料。
[0018] 作为优选，所述有机碳源碳化法，有机碳源浸溃吸附处理条件为:薦糖水溶液浓度 为5-60wt%，浸溃处理时间为2-6小时。高溫碳化处理条件为:氮气浓度为99.9%，氮气流量 为40~60mL/min，室溫到700 °C升溫速率为5 °C /min，700 °C恒溫保持时间5小时。
[0019] (4)循环伏安电化学沉积法制备氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管复合材料：
[0020] 建立Ξ电极电化学反应体系，W上述碳包覆氮化铁纳米管阵列材料为工作电极， 销片为辅助电极，饱和甘隶电极为参比电极，钢酸锭水溶液为工作电解质溶液，通过循环伏 安电化学沉积反应，制得氧化钢/二氧化铁纳米管阵列复合材料。
[0021] 作为优选，所述循环伏安电化学沉积反应条件为：钢酸锭水溶液浓度为0.0005~ 0.005M，循环伏安设定低电位为-0.75V，高电位为0V，扫描速率为20~lOOmV ，电化学沉 积时间为10~50min。
[0022] 最后，本发明提供了所述氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料作为超级电 容器电极的电化学储能的应用。所述的氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料作为工 作电极，W氨氧化裡，高氯酸裡、硫酸裡、碳酸裡、硝酸裡水溶液或者聚乙締醇、聚丙締腊、聚 甲基丙締酸甲醋凝胶为工作电解质，构建裡离子超级电容器进行电化学储能应用。
[0023] 本发明碳包覆处理可W很好提高氮化铁的电化学稳定性，提高材料的耐电化学腐 蚀性能。氧化钢可W有效进行可逆嵌入/脱嵌裡离子，表现较好的裡离子储电性能。氧化钢/ 碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料应用于裡离子电容器或超级电容器，是基于法拉第电 容、双电层电容和裡离子电池协同储电作用的新型储能器件，兼具高的能量密度和功率密 度。
[0024] 技术效果:相对于现有技术，本发明所得氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材 料，制备方法简单，生产成本低，纳米管阵列结构具有很大的比表面积，缩短了离子扩散路 径，进一步提高了材料电导性，碳包覆氮化铁纳米管阵列具有更好的电化学耐腐蚀性能；同 时，所得氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料具有较高的能量密度和功率密度，且氧 化钢在裡离子电解液中能够进行裡离子快速可逆嵌入/脱嵌，充放电循环稳定性好，有效提 高了电极材料的电化学储能性能。
【附图说明】
[0025] 图1本发明氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料的结构示意图，其中，（1)为 碳包覆氮化铁纳米管阵列，（2)为由氧化钢纳米颗粒组装而成的氧化钢微孔膜。
[0026] 图2本发明氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料的制备工艺流程图，其中， (1)为铁片，（2)为二氧化铁纳米管阵列，（3)为氮化铁纳米管阵列，（4)为碳包覆氮化铁纳米 管阵列，（5)为氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列；（A)为阳极氧化及般烧，（B)为高溫氮化 法，（C)有机碳源碳化法，（D)为循环伏安电化学沉积法。
[0027] 图3本发明氮化铁纳米管阵列和氧化钢/碳包覆氮化铁纳米管阵列复合材料的