[发明专利]一种掺杂聚吡咯/二氧化钛纳米管复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种掺杂聚吡咯/二氧化钛纳米管复合材料的制备方法及其应用，以TiO₂纳米管为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以含有对甲基苯磺酸钠和吡咯的水溶液为电解液，调节pH值为1~2，通过电聚合反应在TiO₂纳米管电极表面沉积一层对甲基苯磺酸钠掺杂的聚吡咯薄膜，并将制备得到的复合材料应用于钠离子电池；所制备的掺杂聚吡咯与TiO₂纳米管结合紧密，中空的TiO₂纳米管比表面积大，机械强度与结构稳定性好，掺杂聚吡咯柔韧性好，提供了钠离子传输的通道和空间，二者均为电极活性材料，具有储能活性，充分发挥了复合材料中两种组分之间的协同加和效应，复合材料的充/放电比容量及循环稳定性能好；本发明方法简单、环境友好。

技术领域

本发明涉及一种掺杂聚吡咯/二氧化钛纳米管复合材料的制备方法及其应用，属于新能源材料的研究领域。

背景技术

目前，锂离子电池应用领域和需求量均在不断扩展和增加，然而，地球上锂资源的匮乏及其昂贵的价格成为限制锂离子电池进一步发展的瓶颈因素。因此，开发下一代替代锂离子电池的储能器件迫在眉睫。相对锂资源而言, 钠资源储量丰富，分布广泛、廉价易得、环境友好，因此，钠离子电池被寄予厚望，成为下一代储能电池的优先选择。但不容忽视的是，与锂离子相比，较大的钠离子半径导致相应的扩散动力学过程要慢得多，并对钠离子电池的充/放电性能造成较大的负面影响，对电极材料的要求也更为苛刻，所以，开展与钠离子电池相适应的电极材料及技术的研究具有重要意义。

三维有序TiO₂纳米管具有无毒、比表面积大、结构稳定、高度有序性及储钠活性等诸多优点，可以用作钠离子电池的负极材料，但作为半导体的TiO₂纳米管的电导率比较低，限制了其优势的充分发挥，且无机材料的刚性晶格会抑制体积较大钠离子的扩散与可逆脱/嵌过程。聚吡咯（PPy) 作为一种导电聚合物，具有毒性低、容易加工设计、来源丰富及环境友好等诸多优点，尤其是聚合物分子长链的柔韧性和可移动性为钠离子在其中的扩散与可逆脱/嵌过程提供了宽松而弹性的空间和路径，有望改善钠离子扩散系数和储钠性能。与纯聚吡咯相比，掺杂后的聚吡咯导电性可以大大提高。同时，有机与无机材料之间的复合可以发挥不同组分之间的协同加和作用，有助于电极材料脱嵌钠离子性能的改善与提高。

目前，关于聚吡咯与TiO₂的复合多采用化学合成方法，其形貌为纳米球颗粒，该方法制备工艺复杂繁琐，反应时间长，并伴随着副反应的发生。聚吡咯/二氧化钛纳米管复合材料主要用于光催化等研究领域，基于此，本发明采用电化学方法制备掺杂聚吡咯/TiO₂纳米管复合材料，并研究其在钠离子电池中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺杂聚吡咯/二氧化钛纳米管复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用阳极氧化法制备三维有序TiO₂纳米管阵列；

（2）将步骤（1）制备得到的TiO₂纳米管阵列作为工作电极，以铂片为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以含有对甲基苯磺酸钠和吡咯的水溶液为电解液，用稀硫酸调节电解液的pH值为1~2，并通过电聚合反应在TiO₂纳米管阵列电极表面生成一层薄膜，即得到对甲基苯磺酸钠掺杂的聚吡咯/TiO₂纳米管复合材料。

步骤（2）所述电聚合反应采用循环伏安法，扫描圈数为7~10圈。

步骤（2）所述电解液中对甲基苯磺酸钠浓度为 0.10 mol/L～0.15 mol/L。

步骤（2）所述电解液中吡咯单体的浓度为 0.10 mol/L～0.20 mol/L。

步骤（2）所述稀硫酸为市购产品。