[发明专利]一种分段式燃烧制备碳基纳米复合电极材料的装置和方法

说明书

本发明属于光电信息材料领域，公开了一种分段式燃烧制备碳基纳米复合电极材料的装置和方法。装置包括一级燃烧器、二级燃烧器和样品收集器。通过一级燃烧得到碳纳米管基材，再利用二级燃烧进行金属氧化物的原位负载和修饰，此方法得到的产物经过简单后处理后可以直接用作电极材料。本发明分段式可控的燃烧能够实现两路火焰的分别控制，利用廉价的活性组分前驱体溶液能够实现活性组分的原位、高含量、高分散性负载，制备得到的电极材料中活性组分含量显著高于传统燃烧法制备的碳基纳米材料，同时电极性能优于低活性组分负载量的碳基纳米复合材料。

技术领域

本发明属于光电信息材料领域，具体为一种分段式燃烧制备碳基纳米复合电极材料的装置和方法。

背景技术

纳米碳材料具有较高的导电性、导热性以及优异的机械性能，能够广泛的应用到电极材料、催化剂载体、储氢材料、传感器等诸多领域。然而，在用作电池/超级电容器电极材料时，其特定的储能机理决定了其理论比容量较低，进而导致其较低的能量密度和功率密度，限制了其实际应用。导电性能较差的金属氧化物等通过氧化还原反应能够实现较高的理论比容量，但是其在储能过程中不可避免会发生体积变化，进而导致较差的循环稳定性。现阶段，通过在碳基材料中引入金属氧化物等制备碳基复合纳米材料能够显著提高电极的比容量和循环稳定性。

目前，上述碳基纳米复合材料绝大多数通过分步的制备方法获得。其一般过程为，先制备得到碳基纳米材料，经过酸/碱活化后使用水热、共沉淀等后处理的方法在碳纳米材料的基体上负载金属氧化物。可以看出，这些制备方法较为繁琐，同时由于“非原位”的处理方式，获得的复合材料中金属氧化物颗粒和碳基体之间的作用力较弱，在连续循环后会导致金属氧化物颗粒的团聚，进而影响循环稳定性。此外，“非原位”制备过程负载得到的金属氧化物颗粒较大，在使用过程中不利于电极材料的高倍率性能。因此，实现高的金属氧化物负载量，同时保证金属氧化物与碳基载体间之间的有效结合和高度分散对于提高电极材料的性能具有重要意义。

火焰环境能够提供碳纳米管生长的碳源、热源，通过合适的方式引入催化剂以后能够实现碳纳米管的合成。前人的研究表明，通过火焰法能够实现碳纳米管或碳纳米纤维的制备，这为制备新型碳纳米复合材料提供了可能。然而，现有的火焰燃烧装置及制备碳纳米材料的方法所得到的材料组成以碳材料为主，其含量高达90％以上，直接用作电极材料时其储能比容量较低，不能满足下一代商用的需要。

综上所述，现阶段“非原位”制备方法得到的碳基纳米复合电极中金属氧化物颗粒较大，同时与碳基载体之间结合力较弱，后期循环性能差。发明一种简单地、连续地制备高负载量、高分散性、高结合力的碳基纳米复合材料显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种分段式燃烧制备高性能柔性碳基纳米复合电极材料的装置和方法，先通过一级燃烧得到碳纳米管基材，再利用二级燃烧进行金属氧化物的原位负载和修饰，此方法得到的产物经过简单后处理后可以直接用作电极材料。所得到的电极材料具有高容量、高倍率、耐弯折和长寿命等优点。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明提供一种分段式燃烧制备碳基纳米复合电极材料的装置，包括：一级燃烧器，二级燃烧器和样品收集器；所述一级燃烧器包括一个相互嵌套的环状同心管，其中，环状同心管的内管形成供给气态烃类燃料、辅助气和催化剂到燃烧区域的流路；外管的高度高于内管，形成供给氧气到上述燃烧区域的流路；所述二级燃烧器包括一个套于一级燃烧器外部且高度高于一级燃烧器外管的空心管；所述样品收集器包括样品收集板、采样滤纸、水冷盘管、压力传感器、真空泵、PID控制器，其中，样品收集板置于二级燃烧器的上方，水冷盘管设置于样品收集板上，采样滤纸放置于水冷空盘上用于收集样品，压力传感器、真空泵、PID控制器分别与样品收集板连接，共同作用使样品收集板上下侧形成压力差。

进一步，所述一级燃烧器还包括设置于内管上的加热装置，用于控制燃烧区域的燃烧温度。