基于金属酞菁-碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于金属酞菁

【技术实现步骤摘要】
基于金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学领域，具体而言，本专利技术涉及基于金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型电化学储能装置，具有极高的功率密度、具有温度耐受性好和制备成本低等特点，是未来电动汽车、电力部门和便携电子产品等应用场景的理想选择。但相比于可充电电池来说，由于其电荷储存机制不同，其能量密度(<10W
·
h
·
kg
‑1)并不占优势，目前还不能被认为是电池的替代物，是一个占据合适的位置，与电池形成互补的储能元件。超级电容器的能量密度与电极材料本身的电导率和比表面积有密切关系，而其循环寿命则与电极材料的稳定性相关。因此，开发高电导率、高比表面积和高稳定性的电极材料是超级电容器领域的研究热点之一。
[0003]金属酞菁材料最初在染料领域被人们熟知，但因其优良的电化学性能逐渐受到研究者的广泛关注，特别是在电化学催化和超级电容器应用中。金属酞菁具有良好的氧化还原特性、原料成本低、极高的化学稳定性等特点，是一类很有潜力的超级电容器活性材料。但是其较低的导电性会降低氧化还原过程中的电子传输速率，不能满足超级电容器高电流密度的使用要求，制备的超级电容器比电容和能量密度都较低，从而限制了金属酞菁材料在实际中的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现而提出的：
[0005]增强金属酞菁材料氧化还原特性最直接有效的方法之一是与导电性良好的材料复合。碳纳米管作为一种可以大规模制备的新型碳材料，具有优异的力学、电学性能和高的比表面积，其独特的一维电子传导通道能为其他材料提供理想的导电网络。金属酞菁具有18
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π芳香族电子云，可以与碳纳米管的电子云产生π
‑
π相互作用，因此纳米金属酞菁活性材料可以与碳纳米管形成复合材料。一方面，碳纳米管形成的导电网络可以为金属酞菁材料提供电子通道，有效地提高了酞菁的导电性，有利于其与电解液之间的快速离子吸脱附、传输，从而显著增强材料的氧化还原特性。此外，碳纳米管具有高比表面积，将其与纳米金属酞菁结构进行复合可以避免后者的堆叠作用，使更多的酞菁分子的反应活性位点暴露于电解液中，从而提高电极材料的容量值。因此，通过筛选优化纳米金属酞菁材料，将其与碳纳米管进行复合制备活性材料可以形成显著的协同效应。实验结果表明，这种金属酞菁
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碳纳米管复合材料是未来经济而且高效的超级电容器电极材料的候选者之一。
[0006]有鉴于此，在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备基于金属酞菁
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碳纳米管复合材料的超级电容器的方法，其特征在于，包括：(1)将纳米金属酞菁粉末、碳纳米管与溶剂混合，得到悬浮液；对所述悬浮液进行干燥，得到金属酞菁
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碳纳米管复合材料；(2)将所
述金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料与导电材料混合并分散于溶液中，得到活性材料浆料；将所述活性材料浆料施加到工作电极基材的一侧表面上，干燥得到工作电极；(3)将电解质凝胶施加到所述工作电极具有活性材料的一侧表面上，然后与另一所述工作电极具有所述活性材料的一侧表面与贴合，得到所述超级电容器。
[0007]由此，本专利技术通过在碳纳米管网络中引入纳米金属酞菁结构制备金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料，增加了金属酞菁材料表面上的电化学活性位点，碳纳米管对电化学氧化还原过程中的电子传输也有显著增强效果，两者的协同效应极大地改善了复合材料对电荷存储的电化学响应。应用该电极材料制备得到的超级电容器，表现出较高的质量比电容和能量密度，在20000次循环后仍显示出极高的电容保持率，表明该复合材料拥有极高的循环稳定性。另外，本专利技术提供的金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料的制备方法，制备过程简单且重复性好，所采用的材料合成简易，价格低廉，易于规模制备，有利于实现材料及器件的商业化。
[0008]另外，根据本专利技术上述实施例的制备基于金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料的超级电容器的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0009]在本专利技术的一些实施例中，制备所述纳米金属酞菁粉末的方法包括：将金属酞菁分子与酸液混合，得到混合液；将所述混合液加入水中，得到含有纳米金属酞菁粉末的悬浮液；将所述含有纳米金属酞菁粉末的悬浮液过滤洗涤至滤液为中性，收集固相物，对所述固相物进行干燥，得到所述纳米金属酞菁粉末。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述金属酞菁分子为式(a)所示化合物、式(b)所示化合物、式(c)所示化合物中的至少之一，
[0011][0012]其中，M为锰、铅、铁、钴、镍、铜、锌、锡、钒、钛或钼。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述酸液为甲磺酸、甲酸、浓硫酸中的一种。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述混合液中所述金属酞菁分子的含量为0.5～10mg
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mL
‑1。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，按照0.5～5mL
·
min
‑1的速率，将所述混合液加入水中，得到含有纳米金属酞菁粉末的悬浮液。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、包镍多壁碳纳米管中的一种。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述纳米金属酞菁粉末与所述碳纳米管的质量比为(1～10):10。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述溶剂为甲醇、丙酮、乙醇、氯苯、二氯苯、二氯甲烷中的一种。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料与所述导电材料的质量比为(2～20):1。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述导电材料为炭黑，所述溶液为全氟磺酸乙醇溶液。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，所述工作电极基材为泡沫镍、碳纸、碳布、聚酯膜中的一种。
[0022]在本专利技术的一些实施例中，所述活性材料在所述工作电极上的质量为0.5～5mg
·
cm
‑2。
[0023]在本专利技术的一些实施例中，制备所述电解质凝胶的方法包括：将聚乙烯醇与水混合得到凝胶，并向所述凝胶中加入浓硫酸，得到所述电解质凝胶。
[0024]在本专利技术的一些实施例中，所述凝胶中，所述聚乙烯醇的浓度为1～10g
·
mL
‑1。
[0025]在本专利技术的一些实施例中，基于20mL所述凝胶，所述浓硫酸的加入量为0.1～5mL。
[0026]在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种超级电容器。根据本专利技术的实施例，该超级电容器是由上述实施例的制备基于金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备基于金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料的超级电容器的方法，其特征在于，包括：(1)将纳米金属酞菁粉末、碳纳米管与溶剂混合，得到悬浮液；对所述悬浮液进行干燥，得到金属酞菁
‑
碳纳米管复合材料；(2)将所述金属酞菁
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碳纳米管复合材料与导电材料混合并分散于溶液中，得到活性材料浆料；将所述活性材料浆料施加到工作电极基材的一侧表面上，干燥得到工作电极；(3)将电解质凝胶施加到所述工作电极具有活性材料的一侧表面上，然后与另一所述工作电极具有所述活性材料的一侧表面与贴合，得到所述超级电容器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备所述纳米金属酞菁粉末的方法包括：将金属酞菁分子与酸液混合，得到混合液；将所述混合液加入水中，得到含有纳米金属酞菁粉末的悬浮液；将所述含有纳米金属酞菁粉末的悬浮液过滤洗涤至滤液为中性，收集固相物，对所述固相物进行干燥，得到所述纳米金属酞菁粉末。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属酞菁分子为式(a)所示化合物、式(b)所示化合物、式(c)所示化合物中的至少之一，其中，M为锰、铅、铁、钴、镍、铜、锌、锡、钒、钛或钼。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述酸液为甲磺酸、甲酸、浓硫酸中的一种；任选地，所述混合液中所述金属酞菁分子的含量为0.5～10mg
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mL
‑1；任选地，按照0.5～5mL
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【专利技术属性】
技术研发人员：许宗祥，李敏章，王禹，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：