[发明专利]一种应用于超级电容器的MnO2/H-TiO2纳米复合阵列电极材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种应用于超级电容器的MnO₂/H‑TiO₂纳米复合阵列电极材料及其制备方法，属于纳米功能材料、能量存储与转换技术领域。采用原位二次阳极氧化法制备作为基体的有序TiO₂纳米管阵列，接着对其进行晶化退火处理，然后通过电化学氢化还原获得H‑TiO₂纳米管阵列，最后通过在纳米管内外表面沉积高比电容MnO₂获得MnO₂/H‑TiO₂纳米复合阵列电极材料。本发明制备获得的电极材料在电流密度为1mA·mg^‑1时比电容可达650.0F·g^‑1，电流密度为5mA·mg^‑1时循环充放电1000圈后比电容仍然保持90％以上。本发明工艺简单，成本低廉、对环境友好，易于实施，有利于大规模制备与应用。

主权项

1.一种应用于超级电容器的MnO2/H‑TiO2纳米复合阵列电极材料，其特征在于，在有序H‑TiO2纳米管内外表面均匀、弥散负载了大量的纳米片状MnO2，无定型和微晶混合态的MnO2相互交叠形成多孔结构；首先采用原位二次阳极氧化法制备作为基体的有序TiO2纳米管阵列，接着对其进行晶化退火处理，然后通过电化学氢化还原获得H‑TiO2纳米管阵列，最后通过在纳米管内外表面沉积高比电容MnO2获得MnO2/H‑TiO2纳米复合阵列电极材料；制备方法具体步骤如下：①、原位二次阳极氧化法制备有序TiO2纳米管阵列先将一定尺寸的金属Ti片在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20 min，再用去离子水洗净干燥待用；配制NH4F浓度为0.25 mol•L‑1、H2O的体积比为8%的NH4F‑水‑乙二醇体系作为电解液，以清洗后的Ti片作为阳极，石墨片作为阴极，60 V恒压条件下进行第一次阳极氧化反应2 h；调整电源至“预置”状态，反应暂停5 min，同时将电源预输出电压调整至120 V；重新开启电源至“输出”状态，120 V下击穿作用40 s；再次调整电源至“预置”状态，反应暂停10 min，同时再将电源预输出电压调整至60 V；到预定暂停时间后，进行第二次阳极氧化反应6 h；关闭电源，取出表面生长有两层TiO2纳米管阵列膜层的Ti片，直接用流动自来水冲洗即可去除第一次TiO2氧化膜层，在Ti片基底上留下第二次TiO2氧化膜层，然后在乙二醇中超声15 min去除表面絮状物质，再用去离子水洗涤、干燥，获得作为基体的有序TiO2纳米管阵列；②、有序TiO2纳米管阵列的晶化退火处理将有序TiO2纳米管阵列在500 ℃温度条件下保温2 h进行晶化退火处理，升温速率为2 ℃•min‑1；③、电化学氢化还原获得H‑TiO2纳米管阵列配制0.10 mol•L‑1的Na2SO4水溶液作为电解液，以晶化退火后的有序TiO2纳米管阵列为阴极，以石墨片为阳极，在恒压4 V条件下电化学氢化20 min，然后使用去离子水洗涤、干燥，获得电容特性和电化学性能大幅度提高的H‑TiO2纳米管阵列；④、在纳米管内外表面沉积高比电容MnO2获得MnO2/H‑TiO2纳米复合阵列电极材料配制0.001 mol•L‑1的MnSO4水溶液作为电解液，分别以H‑TiO2纳米管阵列、Ag/AgCl电极和铂丝作为工作电极、参比电极和对电极，在电流密度为0.5 mA/cm2条件下电化学沉积4 min，再使用去离子水洗涤、干燥，获得MnO2/H‑TiO2 纳米复合阵列电极材料。