一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法與流程
2023-05-20 01:39:16
本發明涉及電極材料領域，具體涉及一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法。
背景技術：
超級電容器的核心元件是電極。目前，超級電容器負極材料主要是炭材料，商業化使用的負極炭材料主要是石墨。多孔炭材料的孔徑一般要2nm及以上的空間才能形成雙電層，從而進行有效的能量儲存。炭材料的表面官能團、導電率、表觀密度等對電容器性能也有影響。而碳納米管具備結晶度高、導電性好、比表面積大、孔徑集中在一定範圍內且可控的優越特性，是一種理想的超級電容器電極材料，有待於探索出較優的製備方法用於提高超級電容器的比電容。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，獲得具有較高比電容的超級電容器。
本發明的技術方案如下：
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將碳納米管在硝酸和硫酸的混合溶液中於70℃～100℃的回流溫度下進行大於2h的回流操作；
(2)用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；
(3)將水洗後的碳納米管重新分散於去離子水中，並加入表面活性劑得碳納米管懸濁液；
(4)將硫脲和易溶的二價銅鹽加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；
(5)將上述溶液轉移到水熱釜中從室溫開始進行程序升溫至160℃，保持160℃反應6h～10h；
(6)過濾、洗滌、乾燥、焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
步驟(1)用於將碳納米管制備過程中殘留於管腔內的催化劑去除並在碳納米管表面引入羥基和羧基含氧基團以改善其在水中的分散性。表面活性劑的加入有利於碳納米管的均勻分散。硫脲作為硫源和二價銅離子結合可以生成有電化學活性的CuS。步驟(5)中選擇在水熱釜中反應，是由於在高溫高壓的環境中可加速反應的進行，高能量的供給有利於促使反應物越過反應能壘，進而發生在常壓下不能進行的化學反應。
其中，步驟(1)中所述的硝酸和硫酸的混合溶液中硝酸的濃度為5mol/L，硫酸的濃度為3mol/L。此濃度下的硝酸和硫酸為濃硫酸和濃硝酸，有利於回流過程中在碳納米管表面引入含氧基團。
優選地，步驟(1)中所述回流溫度為80℃，回流時間為3h。
其中，步驟(3)中所述表面活性劑為陽離子表面活性劑或陰離子表面活性劑。
其中，所述陽離子表面活性劑為十八烷基三甲基溴化銨，所述陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。
其中，步驟(4)中所述易溶的二價銅鹽為氯化銅或硝酸銅。
優選地，步驟(5)中所述程序升溫的速率為2℃/min。適宜的升溫速率有利於控制化學反應的速率，避免反應過於激烈。
優選地，步驟(6)中所述焙燒的溫度為350℃。此溫度的選擇是依據硝酸銅等雜質的分解溫度設定的。
本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：本發明中的碳納米管基超級電容器電極材料具有良好的電化學性能，其中，實施例4的條件下所得材料在掃描速度為5mV/s時的比電容為600F/g。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。
實施例1
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：將10g碳納米管在5mol/L的硝酸和3mol/L的硫酸組成的混合溶液中於70℃的回流溫度下回流3.5h；用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；將水洗後的碳納米管重新分散於200mL去離子水中，並加入0.785g陽離子表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨得碳納米管懸濁液；將7.612g硫脲和24.156g Cu(NO3)2·3H2O加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；將上述溶液轉移到250mL的水熱釜中從室溫開始以2℃/min的速率程序升溫至160℃，保持160℃反應10h；反應完成後自然冷卻降溫至室溫，過濾、洗滌、乾燥、並於350℃下焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
對此電容器進行電化學性能測試，所用電解液為6mol/L的KOH溶液，測得在掃描速度為5mV/s時的比電容為500F/g。
實施例2
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：將10g碳納米管在5mol/L的硝酸和3mol/L的硫酸組成的混合溶液中於80℃的回流溫度下回流3h；用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；將水洗後的碳納米管重新分散於200mL去離子水中，並加入0.785g陽離子表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨得碳納米管懸濁液；將7.612g硫脲和24.156g Cu(NO3)2·3H2O加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；將上述溶液轉移到250mL的水熱釜中從室溫開始以2℃/min的速率程序升溫至160℃，保持160℃反應10h；反應完成後自然冷卻降溫至室溫，過濾、洗滌、乾燥、並於350℃下焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
對此電容器進行電化學性能測試，所用電解液為6mol/L的KOH溶液，測得在掃描速度為5mV/s時的比電容為550F/g。
實施例3
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：將10g碳納米管在5mol/L的硝酸和3mol/L的硫酸組成的混合溶液中於100℃的回流溫度下回流2.5h；用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；將水洗後的碳納米管重新分散於200mL去離子水中，並加入0.785g陽離子表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨得碳納米管懸濁液；將7.612g硫脲和24.156g Cu(NO3)2·3H2O加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；將上述溶液轉移到250mL的水熱釜中從室溫開始以2℃/min的速率程序升溫至160℃，保持160℃反應10h；反應完成後自然冷卻降溫至室溫，過濾、洗滌、乾燥、並於350℃下焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
對此電容器進行電化學性能測試，所用電解液為6mol/L的KOH溶液，測得在掃描速度為5mV/s時的比電容為540F/g。
實施例4
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：將10g碳納米管在5mol/L的硝酸和3mol/L的硫酸組成的混合溶液中於80℃的回流溫度下回流3h；用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；將水洗後的碳納米管重新分散於200mL去離子水中，並加入0.785g陽離子表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨得碳納米管懸濁液；將7.612g硫脲和24.156g Cu(NO3)2·3H2O加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；將上述溶液轉移到250mL的水熱釜中從室溫開始以2℃/min的速率程序升溫至160℃，保持160℃反應6h；反應完成後自然冷卻降溫至室溫，過濾、洗滌、乾燥、並於350℃下焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
對此電容器進行電化學性能測試，所用電解液為6mol/L的KOH溶液，測得在掃描速度為5mV/s時的比電容為600F/g。
實施例5
一種碳納米管基超級電容器電極材料的製備方法，包括以下步驟：將10g碳納米管在5mol/L的硝酸和3mol/L的硫酸組成的混合溶液中於80℃的回流溫度下回流3h；用去離子水離心洗滌酸洗後的碳納米管直至上清液pH＝7；將水洗後的碳納米管重新分散於200mL去離子水中，並加入0.576g陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉得碳納米管懸濁液；將7.612g硫脲和17.048g CuCl2·2H2O加入上述碳納米管懸濁液中，攪拌均勻；將上述溶液轉移到250mL的水熱釜中從室溫開始以2℃/min的速率程序升溫至160℃，保持160℃反應6h；反應完成後自然冷卻降溫至室溫，過濾、洗滌、乾燥、並於350℃下焙燒後得碳納米管基超級電容器電極材料。
對此電容器進行電化學性能測試，所用電解液為6mol/L的KOH溶液，測得在掃描速度為5mV/s時的比電容為590F/g。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。