一种提高一维TiO2纳米管电容性能的方法与流程

文档序号:12369434阅读:340来源:国知局
一种提高一维TiO2纳米管电容性能的方法与流程

本发明涉及一种提高TiO2纳米管电容性能的方法。



背景技术:

随着能源问题和人们环保意识的增强,超级电容器(EDLC)的研究与应用已经引起人们的广泛重视,EDLC是介于传统电容器与化学电源的一种新型储能元件,又叫双电层电容器。根据储能机理,超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容器。EDLC中起核心作用的一部分是其电极材料,因此,开发合适的电极材料成为了改良EDLC的主要方向。

TiO2是一种具有应用潜力的n型宽禁带半导体材料,纳米TiO2具有化学稳定性高、催化活性强、光电转换效率高、成本低等特点。相对于纳米颗粒TiO2,TiO2纳米管具有较大的比表面积和更好的电子传输路径,在超级电容器领域具有良好的应用前景。然而目前TiO2纳米管的电容性能不高,限制了其在超级电容器领域的应用。



技术实现要素:

本发明是要解决现有TiO2纳米管电容性能较差的问题,提供一种提高一维TiO2纳米管电容性能的方法。

本发明提高一维TiO2纳米管电容性能的方法,按以下步骤进行:

一、抛光及清洗:将厚度为1~4mm的Ti-Mo合金依次用800目、1500目、2500目和5000目的砂纸抛光后,分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗,然后干燥;

二、制备电解液:首先将NH4F加入到去离子水中,搅拌溶解,然后加入乙二醇,继续搅拌,得到乙二醇电解液;

三、阳极氧化处理:以步骤一处理后的Ti-Mo合金片作为阳极,Pt片作为阴极,加入乙二醇电解液,使阳极和阴极浸没到电解液中,在阳极和阴极两端加50V的直流电压,阳极氧化1小时,将氧化后的Ti-Mo合金片浸泡到无水乙醇中5~10分钟,然后在空气中干燥,得到TiO2-MoO3纳米管;在阳极氧化后的TiO2-MoO3纳米管为无定形的,需要经过热处理才能使其晶化;

四、热处理:对TiO2-MoO3纳米管在350~650℃下热处理2h;

五、脉冲电沉积处理:采用三电极体系进行电沉积,以TiO2-MoO3纳米管作为工作电极,以Pt片作为辅助电极,以甘汞电极(SCE)作为参比电极,电解液为MnSO4和Na2SO4的水溶液,脉冲电沉积参数设置包括两部分:施加一个阳极脉冲100mA/cm2,使Mn2+氧化为MnO2,施加一个延迟脉冲0mA/cm2,使得Mn2+扩散到纳米管内部的电沉积界面。控制施加的电荷量为0.5C/cm2,即完成。

进一步的,步骤一所述Ti-Mo合金中Mo的质量百分比为7%。

进一步的,步骤一所述干燥为置于60~70℃的烘箱中干燥。

进一步的,步骤二所述乙二醇电解液中NH4F的浓度为0.18mol/L,乙二醇的浓度为2mol/L。

进一步的,步骤五所述电解液中MnSO4的浓度为0.0625~1mol/L MnSO4,Na2SO4的浓度为0.25~1mol/L。

进一步的,步骤五中阳极脉冲的施加时间为0.25~0.5s,延迟脉冲的施加时间为10~20s,脉冲循环为10~20cycles。

本发明的有益效果:

本发明方法以Ti-Mo合金为原料制备TiO2-MoO3纳米管,金属钛中掺杂钼制备二氧化钛-三氧化钼纳米管可以大大提高二氧化钛纳米管的比电容,然后再修饰二氧化锰进一步提高比电容,从而得到的材料具有优异的电容性能。

MoO3价格低廉且能量密度高,为Li+的嵌入提供了足够的空间(一个Mo原子约容纳1.5个Li+)。但是MoO3的离子和电子传输能力差,这限制了其电化学响应。本发明将MoO3和MnO2结合到一起,既具备了高的能量密度和功率密度,又具有了良好的循环稳定性,可作为理想的超级电容器电极材料。

本发明方法中TiO2纳米管作为基底材料为电子的传输提供了有利的通道,同时将MoO3和MnO2联合起来,协同作用,对其进行电化学修饰,从而使其比电容大大提高,在0.5M Na2SO4中对其进行电化学测试,面积比电容可高达到30-46mF/cm2

附图说明

图1为TiO2-MoO3纳米管扫描电子显微镜(SEM)测试图;

图2为TiO2-MoO3@MnO2纳米管SEM测试图;

图3为MnO2纳米颗粒沉积曲线;

图4为TiO2-MoO3@MnO2纳米管能谱测试(EDS)图;

图5为不同热处理温度下的循环伏安(CV)曲线;

图6为TiO2-MoO3及TiO2-MoO3@MnO2纳米管的循环伏安(CV)曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一:本实施方式提高一维TiO2纳米管电容性能的方法,按以下步骤进行:

一、抛光及清洗:将厚度为1~4mm的Ti-Mo合金依次用800目、1500目、2500目和5000目的砂纸抛光后,分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗,然后干燥;

二、制备电解液:首先将NH4F加入到去离子水中,搅拌溶解,然后加入乙二醇,继续搅拌,得到乙二醇电解液;

三、阳极氧化处理:以步骤一处理后的Ti-Mo合金片作为阳极,Pt片作为阴极,加入乙二醇电解液,使阳极和阴极浸没到电解液中,在阳极和阴极两端加50V的直流电压,阳极氧化1小时,将氧化后的Ti-Mo合金片浸泡到无水乙醇中5~10分钟,然后在空气中干燥,得到TiO2-MoO3纳米管;

四、热处理:对TiO2-MoO3纳米管在350~650℃下热处理2h;

五、脉冲电沉积处理:采用三电极体系进行电沉积,以TiO2-MoO3纳米管作为工作电极,以Pt片作为辅助电极,以甘汞电极作为参比电极,电解液为MnSO4和Na2SO4的水溶液,脉冲电沉积参数设置包括两部分:施加一个阳极脉冲100mA/cm2,施加一个延迟脉冲0mA/cm2,控制施加的电荷量为0.5C/cm2,即完成。

本实施方式先以Ti-Mo合金为基底,通过阳极氧化法制备TiO2-MoO3纳米管,再通过脉冲电沉积的方法,实现MnO2与TiO2-MoO3纳米管的复合,充分发挥三者的优势,提高了TiO2纳米管电容性能,在0.5M Na2SO4中对其进行电化学测试,面积比电容可高达30-46mF/cm2,为今后的研究起到借鉴和启发作用。

具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中将厚度为2~3mm的Ti-Mo合金依次用800目、1500目、2500目和5000目的砂纸抛光。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一所述Ti-Mo合金中Mo的质量百分比为7%。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一所述干燥为置于60~70℃的烘箱中干燥。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二所述乙二醇电解液中NH4F的浓度为0.18mol/L,乙二醇的浓度为2mol/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤四中对TiO2-MoO3纳米管在450~550℃下热处理2h。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤五所述电解液中MnSO4的浓度为0.0625~1mol/L MnSO4,Na2SO4的浓度为0.25~1mol/L。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤五中阳极脉冲的施加时间为0.25~0.5s。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤五中延迟脉冲的施加时间为10~20s。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤五中脉冲循环为10~20cycles。其它与具体实施方式一至九之一相同。

下面对本发明的实施例做详细说明,以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方案和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1:提高一维TiO2纳米管电容性能的方法,按以下步骤进行:

一、抛光及清洗:将厚度为2mm的Ti-Mo合金依次用800目、1500目、2500目和5000目的砂纸抛光后,分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗,然后在60℃的烘箱中干燥;其中所述Ti-Mo合金中Mo的质量百分比为7%;

二、制备电解液:首先将NH4F加入到去离子水中,利用磁力搅拌器搅拌至溶解,然后加入乙二醇,继续搅拌至混合均匀,得到乙二醇电解液;其中乙二醇电解液中NH4F的浓度为0.18mol/L,乙二醇的浓度为2mol/L;

三、阳极氧化处理:以步骤一处理后的Ti-Mo合金片作为阳极,Pt片作为阴极,加入乙二醇电解液,使阳极和阴极浸没到电解液中,在阳极和阴极两端加50V的直流电压,阳极氧化1小时,将氧化后的Ti-Mo合金片浸泡到无水乙醇中10分钟,然后在空气中干燥,得到TiO2-MoO3纳米管;

在阳极氧化后的TiO2-MoO3纳米管为无定形的,需要经过热处理才能使其晶化。

四、热处理:将TiO2-MoO3纳米管分别在350℃下进行热处理2h;

五、脉冲电沉积处理:采用三电极体系进行电沉积,以TiO2-MoO3纳米管作为工作电极,以Pt片作为辅助电极,以甘汞电极(SCE)作为参比电极,电解液为含0.0625mol/L MnSO4和0.25mol/L Na2SO4的水溶液,脉冲电沉积参数设置包括两部分:施加一个阳极脉冲100mA/cm2,使Mn2+氧化为MnO2,施加一个延迟脉冲0mA/cm2,使得Mn2+扩散到纳米管内部的电沉积界面。MnO2的负载量通过固定施加的电荷量来控制,本发明控制施加的电荷量为0.5C/cm2

实施例2:

本实施例与实施例1不同的是步骤四中热处理温度为450℃,其他步骤与参数与实施例1相同。

实施例3:

本实施例与实施例1不同的是步骤四中热处理温度为550℃,其他步骤与参数与实施例1相同。

实施例4:

本实施例与实施例1不同的是步骤四中热处理温度为650℃,其他步骤与参数与实施例1相同。

当沉积参数为:100mA cm2,0.25s;0mA,20s,20cycles时,得到沉积曲线(如图2),对产物进行SEM及EDS测试(图3和图4)。

(一)SEM测试:

TiO2-MoO3纳米管扫描电子显微镜测试图如图1所示,TiO2-MoO3@MnO2纳米管SEM测试图如图2所示。SEM测试结果表明,在经阳极氧化后在Ti-Mo合金表面形成多孔的TiO2-MoO3纳米管,管的内径大约为70-80nm,管长为9mm。

MnO2纳米颗粒沉积曲线如图3所示,可以看出MnO2沉积成功。

TiO2-MoO3@MnO2纳米管能谱测试(EDS)图如图4所示,将EDS测试结果整理得到表1产物的元素组成,表1中的结果表明样品由Mo、Na、Mn、O和Ti组成,其中C来自测试用的导电胶、清洗未彻底残存的部分乙二醇及扫描电子显微镜中的机油。

表1

(二)电化学性能测试:

对不同温度下热处理2h的TiO2-MoO3纳米管样品进行循环伏安测试(10毫伏/秒),不同热处理温度下的循环伏安(CV)曲线如图5所示,图中曲线1表示350℃,曲线2表示450℃,曲线3表示550℃,曲线4表示650℃。确定最佳热处理温度为350℃。

进行脉冲电沉积,对TiO2-MoO3及TiO2-MoO3@MnO2纳米管在0.5M Na2SO4中以铂片为对电极,SCE为参比电极进行循环伏安测试(100毫伏/秒),如图6所示,图中曲线a表示TiO2-MoO3纳米管,曲线b表示TiO2-MoO3@MnO2纳米管。可以看出,表面修饰MnO2纳米颗粒后,比电容明显增大。比电容比二氧化钛-三氧化钼纳米管提高了10倍以上。

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