[发明专利]碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面；所述导电基底(1)上有序排列的“壳-核”纳米结构，所述的核是钛基纳米线、纳米柱或纳米管阵列，所述的壳是无定形碳层；所述钛基包括氧化钛或氮掺杂氧化钛；所述钛基纳米阵列(2)为一组有序排列的单根纳米线、集束纳米线、纳米柱或纳米管。

2.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述导电基底(1)包括钛片、导电玻璃、碳布、碳纸、石墨烯膜、碳纳米管膜或多孔碳膜。

3.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述单根纳米线直径为10～30nm；集束纳米线直径为20～200nm，长度为1～1.5μm；纳米柱直径为100～300nm，长度为1～1.5μm；纳米管直径为50～100nm，壁厚为10～30nm，长度为3～5μm。

4.根据权利要求1所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，其特征在于：所述无定形碳层(3)的厚度为3～10nm。

5.权利要求1至4任一项所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用种子辅助水热反应法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米线或纳米柱阵列：在导电基底材料表面物理吸附含钛种子液，干燥后置于密封水热反应釜中，加入盐酸、水和钛基前驱体的混合反应液，进行水热反应；反应产物在惰性气体保护下进行高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米线或纳米柱阵列；采用恒电压阳极氧化法及高温煅烧处理制备氧化钛纳米管阵列：在二电极电化学反应体系中，以钛片作为阳极、铂片作为阴极，以乙二醇、水、氟化铵的混合液为反应电解液，进行恒电压阳极氧化反应；反应产物在惰性气体保护下高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米管阵列；

(2)采用受控氮掺杂处理方法制备氮掺杂氧化钛纳米阵列：将晶体相步骤(1)制得的氧化钛纳米线、纳米柱或纳米管阵列置于管式气氛炉中，在氨气气氛下进行部分氮掺杂处理，即得氮掺杂氧化钛纳米阵列；

(3)采用水热反应法及高温煅烧处理方法制备碳包覆钛基纳米阵列材料：将氧化钛和氮掺杂氧化钛纳米阵列材料置于密封水热反应釜中，加入水热反应液进行水热反应；反应产物在氮气保护下进行高温煅烧处理，即得碳包覆钛基纳米阵列材料。

6.根据权利要求5所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述种子辅助水热反应法条件为：含钛种子液为0.3～0.9mol/L钛基前驱体乙醇溶液，水热反应液中的盐酸、水和钛基前驱体的体积比为1:(1～1.1):(0.02～0.04)，盐酸为37％的盐酸溶液，水热反应时间为7～20h，水热反应温度为150～200℃，钛基前驱体为四氯化钛、钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯；所述恒电压阳极氧化法条件为：阳极氧化电压为30～60V，反应时间为1～3h，反应温度为23～27℃，反应电解液中，乙二醇的体积分数为97～99％，蒸馏水的体积分数为1～3％，氟化铵的质量分数为0.2～0.3％；高温煅烧处理条件均为：氮气浓度大于99.7％，氮气流量为45～55mL/min；升温速率为：室温到450℃为2℃/min，450℃下保温2h。

7.根据权利要求5所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的受控氮掺杂处理条件为：在氨气气氛中进行氮掺杂反应，氨气浓度为99.6～99.9％，氨气流量为30～60mL/min，升温速率从室温到300℃为5℃/min，从300℃到600℃为2℃/min，600℃恒温反应3h。

8.根据权利要求5所述的一种碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述水热反应法条件为：水热反应液为0.05～0.2mol/L碳源化合物水溶液，水热反应时间为1～5h，水热反应温度为160～180℃，碳源化合物为葡萄糖、蔗糖或淀粉；所述高温煅烧处理条件为：氮气浓度大于99.9％，氮气流量为30～50mL/min；升温速率为室温到550℃为3℃/min、550℃到800℃为2℃/min，800℃下保温1h。

9.权利要求1至4任一项所述的碳包覆钛基纳米阵列材料在超级电容器中的应用。