[发明专利]一种聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料，由盐酸多巴胺和碳纳米管混合，先经碳化处理，得到具有聚多巴胺修饰的碳纳米管，然后与硝酸钴、硝酸镍混合经硼氢化钠还原，最后再将混合物热处理即可。其制备方法包括：1）聚多巴胺‑碳纳米管的制备；2）聚多巴胺‑碳纳米管‑硝酸钴‑硝酸镍粉末的制备；3）聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料的制备。作为超级电容器电极材料，在‑0.1‑0.45V范围内充放电，在放电电流密度为1A/g时，比电容可以达到900‑1000F/g。本发明采用碳化法和水热法，工艺简单；以聚多巴胺修饰的碳纳米管为骨架，提供了大的比表面积，具有优异的电化学特性和化学稳定性。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，其巨大的优越性表现为：(1)功率密度高。超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。(2)充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。(3)充电时间短。完全充电只需数分钟。(4)实现高比功率和高比能量输出。(5)环境温度对正常使用影响不大。超级电容器的正常工作温度范围在-35-75℃。

碳材料单独作为超级电容器电极材料比电容较小，过渡金属氧化物单独作为超级电容器电极材料结构致密，导电性能差，用导电性能较好的碳素材料复合比电容较大的金属氧化物，如此一来很好的解决了碳电极材料和金属氧化物电极材料相比比电容较小，过渡金属氧化物单独作为超级电容器电极材料结构致密，不利于电解液的浸润，导电性能较差的问题。

多巴胺作为一种生物粘附蛋白，既具有强黏附性又富含各种官能团，其可在不同材质表面进一步反应形成功能层，从而实现对材料表面的功能化改性。聚多巴胺结构中含有大量的-OH和-NH₂，是很好的二级反应平台。一方面，这些基团可以用于接枝反应；另一方面，这些基团能够有效地吸收金属离子，加上聚多巴胺本身具有弱的还原性，可将贵金属离子溶液还原成贵金属纳米粒子（MNPs），贵MNPs修饰的聚多巴胺传感器制备简单，灵敏高效。同时，由于聚多巴胺具有氧化反应选择性，以聚多巴胺为基础制作的碳微球在碱性环境下更加多孔，比表面积大，适合做超级电容器的电极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料及其制备方法和在超级电容器领域的应用。

利用多巴胺的优异的粘附性以及自聚合性能聚合在碳纳米管的表面，通过高温碳化处理，然后利用聚多巴胺的弱还原性以及还原剂的作用还原得到Co和Ni；之后Co和Ni又被材料中含的氧或空气中的氧气分别氧化成CoO和NiO。

聚多巴胺碳化后得到的碳纳米微球具有更好地导电能力，聚多巴胺的C原子在环内更易转换为Sp2C；Sp3的减少以及电活性N的高度掺杂使碳球具有更低的阻抗。

因此，所得到的复合材料不仅表现出多孔碳的双电层电容性能，而且表现出金属氧化物的法拉第电容性能，因而具有作为超级电容器的电极材料的良好性能。一方面碳纳米管，氮掺杂的碳具有良好的导电性，可以提供高的双电层电容；另一方面CoO、NiO的存在提高了复合材料的导电性，有效克制了氧化物在电解质的腐蚀和充放电过程中的体积收缩，有效提高了复合材料比电容，以聚多巴胺为基础制作的碳微球在碱性环境下更加多孔，比表面积大，是制作性能优异的超级电容器的电极材料。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料，由盐酸多巴胺和碳纳米管混合，先经碳化处理，得到具有聚多巴胺修饰的碳纳米管，所述的含氮聚合物为聚多巴胺，所述聚多巴胺/碳纳米管@钴镍氧化物复合材料中，碳壳是氮掺杂的。