[发明专利]一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶，通过多巴胺的自聚合对聚吡咯气凝胶进行改性，并利用聚多巴胺的氨基与羟基有效吸附钴离子，实现聚吡咯气凝胶与ZIF‑67的充分复合，然后进行高温焙烧而成。本发明通过聚多巴胺的氨基与羟基有效配位吸附钴离子，实现聚吡咯纳米管气凝胶与ZIF‑67的有效复合，然后进行高温焙烧实现碳纳米管的氮掺杂，且复合气凝胶的三维结构可有效分散四氧化三钴纳米颗粒；所得氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶有效利用气凝胶的多孔骨架结构，并可有效结合氮掺杂碳纳米管的双电层电容与四氧化三钴的赝电容，有利于电子或离子传输，是一种理想的超级电容器电极材料。

技术领域

本发明属于气凝胶材料、超级电容器电极材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、比容量大等优点，是一类优于传统电容器和普通电池的新型储能器件，在电子产品、电动汽车、铁路和航空航天等领域具有广泛应用。理想的超级电容器电极材料应具备高比表面积，丰富且分布均匀的孔结构，高导电性能，良好的溶液浸润性，从而能保证足够的电荷存储空间，以利于电解液离子的快速输运，促进电解质扩散，以提升比电容、倍率性能和长期使用稳定性。目前，能较为有效改善超级电容器性能的方法是通过提高超级电容器电极材料的电导率和比表面积。最近，具有三维结构的纳米材料，由于其丰富的多层次多孔结构，有效促进电解质的传递、电极材料里载流子的传输，缩短离子或电子的扩散距离，可以满足超级电容器电极材料的要求。

导电高分子凝胶是一类被广泛报道的新型超级电容器电极材料，但是导电高分子在充放电过程中受力不均，导电高分子的高分子链骨架在可逆的掺杂/脱掺杂过程中存在一定程度的体积膨胀与收缩，会影响超级电容器的长期循环使用寿命。因此，对导电高分子凝胶进一步复合改性，改善其长期循环充放电过程中的稳定性，具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶；通过多巴胺的自聚合对聚吡咯气凝胶进行改性，并利用聚多巴胺的氨基与羟基有效吸附钴离子，实现聚吡咯气凝胶与ZIF-67的充分复合，然后进行高温焙烧，实现碳纳米管的氮掺杂并保持气凝胶的三维多孔结构，所得氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶可表现出优异的电化学性能和循环稳定性，且涉及的制备方法简单、易控，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶，它通过将聚吡咯气凝胶浸渍于多巴胺溶液中进行聚合改性，然后将改性后的聚吡咯气凝胶依次、反复浸渍于钴盐有机溶液和2-甲基咪唑有机溶液中，得聚吡咯/ZIF-67复合气凝胶；最后在保护气氛下进行焙烧，得氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶。

上述一种氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚吡咯气凝胶浸渍于多巴胺溶液中，调节所得混合液的pH值至8.0～9.0，对聚吡咯气凝胶进行聚合改性；

2)将经步骤1)改性后的聚吡咯气凝胶依次置于硝酸钴的甲醇溶液和2-甲基咪唑的甲醇溶液中进行浸泡处理，重复上述浸泡步骤，将所得产物进行洗涤、干燥，得聚吡咯/ZIF-67复合气凝胶；

3)将所得聚吡咯/ZIF-67复合气凝胶在保护气氛下进行焙烧，得氮掺杂碳纳米管/四氧化三钴复合气凝胶。

上述方案中，所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为3～5mg/mL。

上述方案中，步骤1)中所述聚合改性温度为室温，时间为18～24h。

上述方案中，步骤2)中采用的各原料按重量份数计为：改性后的聚吡咯气凝胶3～6份，硝酸钴的甲醇溶液300～600份，2-甲基咪唑的甲醇溶液300～600份；其中硝酸钴所占重量份数为10～30份，2-甲基咪唑所占重量份数为20～40份。