[发明专利]二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种同心轴中空结构的二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料及其制备方法和超级电容器电化学储能应用，属于复合材料领域。

背景技术

超级电容器的电化学性质是由电极材料和电解质两部分决定的，其中电极材料是决定电化学电容器能量密度和功率密度的关键因素。导电聚吡咯电极材料具有较好的机械柔韧性和较高的电化学电容性能，但是聚吡咯电极材料同样具有缺陷。首先，导电聚吡咯的电导率不高(电导率低于100S cm^-1)，电化学充放电过程容易产生较高的压降，降低超级电容器的工作电压；其次，聚吡咯电极材料在连续掺杂/去掺杂电解质离子过程中，导致导电聚吡咯的骨架不断的膨胀/收缩，一定程度上破坏了电极材料的稳定性。因此，以聚吡咯为基体，采用物理化学方法添加各种导电填料，得到既具有一定导电功能,又具有良好电化学稳定性能的复合材料。

目前，采用过渡金属氧化物或石墨粉填料改性的聚吡咯复合电极，尽管可以提高电化学电容性能，但是由于电导性提升不明显，聚吡咯电极的稳定性仍然不理想。碳纳米管、石墨烯和碳纤维等碳材料作为高性能导电填料在导电复合电极材料领域得到很好发展，碳材料的导电性能与其结构性、比表面积和表面化学特性等因素有关。碳材料的粒径越小、表面活性基团含量越少，则其导电性能越好。碳量子点作为一种新型的碳纳米材料，其尺寸小于10nm，具有准球形结构和高比表面特征，碳量子点应用于导电填料不仅增强了复合材料的导电性能，自身纳米尺寸效应和量子效应也增强了复合材料的机械性能和稳定性能。

发明内容

发明目的：本发明提供一种二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料及其制备方法，所述的纳米阵列材料在超级电容器电极中的电化学储能应用。

技术方案：本发明提供了二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料，包括管壁独立结构的二氧化钛或氮化钛纳米管阵列，以及二氧化钛或氮化钛纳米管内壁面和外壁面上均匀沉积的碳量子点修饰的聚吡咯导电膜；由二氧化钛或氮化钛纳米管内壁面上均匀沉积的碳量子点修饰的聚吡咯导电膜(1)、二氧化钛或氮化钛纳米管阵列(2)以及二氧化钛或氮化钛纳米管外壁面上均匀沉积的碳量子点修饰的聚吡咯导电膜(3)形成同心轴中空结构的纳米管复合材料。

作为优选，所述碳量子点修饰的聚吡咯导电膜，是由碳量子点均匀分散在聚吡咯高分子链上形成的均匀光滑的碳量子点修饰的聚吡咯导电膜，且完整覆盖在二氧化钛或氮化钛纳米管内壁面和外壁面上，其中碳量子点粒径范围为3-7nm。

作为另一种优选，所述二氧化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料，其管壁厚度范围为65-115nm，管内直径范围为35-90nm，管高度范围为0.9-1.2μm；所述氮化钛纳米管支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料，其管壁厚度范围为15-35nm，管内直径范围为30-55nm，管高度范围为1.0-1.3μm。

本发明还提供了二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用恒电压电解方法制备碳量子点：构建三电极电化学反应体系，以石墨棒为工作电极、铂片为对电极、甘汞电极为参比电极，以0.1M磷酸二氢钾水溶液为反应电解质溶液，设定恒定电压为3.0V，反应时间为3-6h，即得0.001-0.01M碳量子点水溶液；

(2)采用电聚合沉积方法制备二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料：构建三电极电化学反应体系，以聚吡咯、高氯酸锂、碳量子点混合水溶液为反应电解质溶液，以管壁独立结构的二氧化钛或氮化钛纳米管阵列作为电极支撑基底材料并作为工作电极、铂片为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极，采用电聚合反应合成方法，二氧化钛或氮化钛纳米管内壁面与外壁面上均匀沉积形成碳量子点修饰的聚吡咯导电膜，得到二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料。

步骤(2)中，所述电聚合反应合成方法采用阶梯波伏安法，所述的阶梯波伏安法工艺条件为：初始电位为0.7V，终止电位为1.1V，电位增量为0.001V s^-1，扫描段数为2，采样宽度为0.02s，阶跃周期为1-3s。

步骤(2)中，所述聚吡咯、高氯酸锂、碳量子点混合水溶液中，聚吡咯浓度为0.1-0.2M，高氯酸锂浓度为0.05-0.15M，碳量子点浓度为0.001-0.01M。

本发明还提供了二氧化钛或氮化钛支撑的碳量子点修饰聚吡咯纳米阵列材料作为超级电容器电极材料进行电化学储能的应用。