一种TiC纳米管阵列材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种TiC纳米管阵列材料及其制备方法和应用。所述TiC纳米管阵列材料为TiC纳米管生长在钛基体上，具有高度定向和高度有序性，所述TiC纳米管的管径为80nm－150nm。所述制备方法为S1、采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列；S2、将制备的TiO2纳米管阵列以5

【技术实现步骤摘要】
一种TiC纳米管阵列材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电容器
，具体涉及一种TiC纳米管阵列材料及其制备方法和在超级电容器上的应用。

技术介绍

[0002]随着化石能源的不断消耗和日益严重的环境问题，发展清洁和可再生能源（风能、太阳能和潮汐能等）已经成为社会发展的迫切需求。由于自然环境的影响，这些能源的供应通常是间歇性和季节性的。因此，高效的能量储存和转换技术对可再生能源的利用非常重要。电池因具有较高的能量密度而成为广泛使用的一种电子储能元件，但随着社会需求的不断提高，现有的电池性能越来越难以满足生产发展的要求。如何提高电池的循环寿命和功率密度，解决电池安全性和环保回收问题，是电池发展所面临的主要挑战。
[0003]在优化和提升现有电池性能的同时，国内外研究者也在不断探索新型的储能元件。其中，超级电容器作为一种环保高效的储能装置而受到了国内外广泛的关注，其能量密度远远高于传统电容器，并且循环寿命、功率密度、充放电效率等性能都显著优于二次电池，兼备了传统电容器和二次电池两类储能设备的优点，具有巨大的发展潜力。作为典型的资本密集型产业，超级电容器正处于快速发展的阶段。其中，上海奥威科技开发有限公司、深圳今朝时代新能源技术有限公司、北京集星联合电子科技有限公司等一批国内本土厂商陆续冒升起来，国际品牌中则以美国MAXWELL、韩国LSMtron、Nesscap、日本松下、NEC
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TOKIN等为代表。此外，国内外知名院校、机构和企业等也积极展开产学研合作，其中包括今朝时代、中国科技开发院、LSMtron公司、深圳市五洲龙汽车有限公司、哈尔滨工业大学深圳研究生院、湖南大学材料与工程系等联合共建了实验室和工程中心，以超级电容储能技术研究为核心，共同推动新型能源产业的快速发展。超级电容器自面市以来，全球需求量迅速扩大，广泛应用于国防军工、轨道交通、城市公交、起重机械势能回收、发电与智能电网、消费电子等重要领域和环节，已成为电化学储能领域具有发展前景的新型产业。
[0004]然而，超级电容器的能量密度远低于现有的二次电池，这也是其应用和发展面临的关键问题。超级电容器的整体性能主要取决于电极材料，理想的电极应该具有丰富的纳米结构，可以缩短离子和电子的输运/扩散路径，实现更高的动力学，而且高的比表面积可以提供更多的离子吸附和氧化还原反应的活性位点，从而大大提高了储存容量。因此，研究和设计纳米结构电极材料就显得尤为重要。
[0005]近年来，TiC因具有高导电性、良好的化学稳定性和机械稳定性而受到关注。目前TiC的制备工艺主要为模板法和气相沉积法，这些方法需要高的反应温度(>1100℃)和复杂的工艺过程。而且，现有材料大多数以粉末形式制备，还需要额外的导电衬体和有机黏结剂进行组装，导电衬体的增加提高了制作电极的工艺难度和成本，黏结剂的使用加大了电极的自重，从而降低了TiC能量密度。
[0006]因此，如何制备高能量密度TiC纳米管阵列材料，是本领域技术人员研究的方向。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种TiC纳米管阵列材料，解决现有能量密度不高的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种TiC纳米管阵列材料，TiC纳米管生长在钛基体上，具有高度定向和高度有序性，所述TiC纳米管的管径为80nm－150nm。
[0009]进一步，所述TiC纳米管阵列材料以TiO2纳米管阵列作为前驱体，在低温熔盐体系下通过电脱氧和碳化反应直接合成。
[0010]进一步，本专利技术还提供所述TiC纳米管的制备方法，解决现有技术制备工艺难度大、成本高等问题。所述制备方法包括以下步骤：S1、以乙二醇+氟化铵+水的体系作为电解质，以钛片为阴极，金属片为阳极，采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列；其中，以乙二醇作为溶剂，添加氟化铵的比例为乙二醇的0.6 wt%，水的比例为乙二醇的2 vol%；S2、将制备的TiO2纳米管阵列在马弗炉中以5
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10℃/min 的升温速率加热到400℃，退火2 h；S3、以混合熔盐CaCl2‑
KCl
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LiCl为电解质，以退火后的TiO2纳米管阵列作为阴极，石墨棒为阳极，配入0.1
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0.3 mol%的CO
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作为碳源，在真空下进行电解，得到TiC纳米管阵列材料。
[0011]进一步，还包括在步骤S1之前对钛片进行预处理的步骤；所述预处理具体为：用砂纸将钛片打磨抛光至镜面，并分别在乙醇和去离子水中超声10min。
[0012]作为优选，步骤S1中，电解的电压为50 V，电解时间为15min
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1h。
[0013]步骤S3包括：S31、将混合熔盐CaCl2‑
KCl
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LiCl加入到坩埚中，将电解炉密封后用高纯氩气反复抽真空冲洗，待炉内空气完全排出后，再将氩气注入炉内；S32、将电解炉加热至500
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600℃，待炉温稳定后进行预电解；S33、以退火后的TiO2纳米管阵列作为阴极，石墨棒为阳极，配入0.1
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0.3 mol%的CO
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作为碳源，在阴阳极之间施加3.3 V的电压，电解0.5h以上；S34、将电解后得到的阴极产物在稀盐酸和去离子水中清洗干净，再真空干燥，即得TiC纳米管阵列材料。
[0014]作为优选，所述CaCl2‑
KCl
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LiCl熔盐中，CaCl2、KCl、LiCl的摩尔比为4：1：5。
[0015]作为优选，所述预电解过程为：以石墨棒为阳极，不锈钢棒为阴极，在3V电压下电解12 h，以除去熔盐中的杂质。
[0016]作为优选，所述碳源通过加入碳酸盐直接配入，所述碳酸盐可以是碳酸钙、碳酸锂等。或通过以下方式配入：在混合熔盐中加入0.1mol%
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0.3mol%的Li2O，并以2 ml/min
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20ml/min连续向熔盐中通入CO2气体，稳定熔盐体系30min
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1h，即形成可溶性的CO
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。
[0017]进一步，还提供所述TiC纳米管阵列材料在超级电容器上的应用。所述应用为采用所述TiC纳米管阵列材料作为电极片，用于制作超级电容器；所述超级电容器由两个电极片和夹在电极片中间的电解质组成。
[0018]相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
1、本专利技术提供的TiC纳米管阵列材料，呈现高度定向有序的阵列结构，为离子吸附提供了巨大的比表面积，而且改善了离子和电解质的扩散通道，有利于离子在电极表面的快速通过。同时，有序阵列结构可以有效避免电极材料的团聚和折叠，大大减少电荷存储“死区”的产生，与独立无序的纳米粒子相比，有序的阵列结构可以在单位面积上实现更多活性材料的负载。该TiC纳米管阵列材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiC纳米管阵列材料，其特征在于，TiC纳米管生长在钛基体上，具有高度定向和高度有序性，所述TiC纳米管的管径为80nm－150nm。2.根据权利要求1所述TiC纳米管阵列材料，其特征在于：所述TiC纳米管阵列材料以TiO2纳米管阵列作为前驱体，在低温熔盐体系下通过电脱氧和碳化反应直接合成。3.一种TiC纳米管阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以乙二醇+氟化铵+水的体系作为电解质，以钛片为阴极，金属片为阳极，采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列；其中，以乙二醇作为溶剂，添加氟化铵的比例为乙二醇的0.6 wt%，水的比例为乙二醇的2 vol%；S2、将制备的TiO2纳米管阵列在马弗炉中以5
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10℃/min 的升温速率加热到400℃，退火2 h；S3、以混合熔盐CaCl2‑
KCl
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LiCl为电解质，以退火后的TiO2纳米管阵列作为阴极，石墨棒为阳极，配入0.1
‑
0.3 mol%的CO
32
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作为碳源，在真空下进行电解，得到TiC纳米管阵列材料。4.根据权利要求3所述的TiC纳米管阵列材料的制备方法，其特征在于，还包括在步骤S1之前对钛片进行预处理的步骤；所述预处理具体为：用砂纸将钛片打磨抛光至镜面，并分别在乙醇和去离子水中超声10min。5.根据权利要求3所述的TiC纳米管阵列材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，电解的电压为50 V，电解时间为15min
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1h。6.根据权利要求3所述的TiC纳米管阵列材料的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：S31、将混合熔盐CaCl2‑
KCl
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：扈玫珑，马通祥，陈俊宇，陈布新，赵朗，李朝东，胡丽文，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：