专利名称：一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纳米电极材料的制备方法。具体涉及一种快速制备导电碳/氧化钌复合电极材料的方法。
背景技术：
21世纪，能源问题无庸置疑是世界各国面临的一个巨大挑战。随着全球变暖等气候问题的日益严峻以及常规化石燃料的日益枯竭，人们对清洁交通和清洁能源的需求变得尤为迫切。超级电容器是一种新型的介于蓄电池和传统电介质电容器之间的新型储能器件，被广泛应用于汽车、电子、通讯等各个领域，被世界各国所广泛关注。根据储能机理的不同，超级电容器可分为两种类型双电层电容器和法拉第赝电容器。 前者是基于电极(高比表面积活性炭)/电解液界面电荷分离产生的双电层，后者是在电极的表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附或氧化还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。在相同电极面积的情况下，它的容量是双电层电容的几十倍。在各种电极材料中，氧化钌电极材料不仅具有高的理论比容量(> 1000F/g)和高的电导率，而且具有较宽的电位窗和优异的电化学循环稳定性，因此，被公认为是一种性能优异的超级电容器电极材料。然而，氧化钌不仅价格昂贵，而且在制备过程中极容易形成较大的团聚体，显著降低了氧化钌的电化学利用率，导致其电化学性能变差，从而抑制其大规模的商业化应用。为了充分利用氧化钌的电化学利用率、降低成本，以各种导电碳(碳纳米管、石墨烯等)为基体材料，制备均匀分散的氧化钌纳米复合材料受到了人们的广泛关注。目前，碳/氧化钌的制备方法主要有以下几种(I)采用传统方法，即将碳材料加入到三氯化钌溶液中，然后采用碱液对三氯化钌进行沉淀，再进行水热反应制备碳负载氧化钌(中国专利申请号201010295214. 8) ；(2)采用氧化剂直接氧化三氯化钌，即将碳材料加入到三氯化钌溶液中，然后采用氧化剂缓慢氧化三氯化钌制备碳负载的氧化钌(中国专利申请号200610033782.4)。然而，上述两种方法不仅工艺复杂，而且耗时、能源消耗大，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺相对简单、操作简便、成本低廉、快速节能且可大批量生产的快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法。本发明的目的是这样实现的(I)将导电碳材料加入到蒸馏水中，超声分散制备导电碳材料的分散液；(2)将含钌前驱物加入到步骤⑴所得的分散液中，搅拌使之完全溶解；(3)将步骤(2)所得的混合液进行加热处理，得到黑色沉淀；(4)将步骤(3)所得的黑色沉淀过滤、洗涤，真空干燥即得导电碳与氧化钌复合电极材料。本发明还可以包括
I、所述的导电碳材料为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或两种以上的任意比例混合物。2、所述的导电碳材料的分散液的浓度为O. 001-0. lg/mL，所述超声分散的时间为O.l_20h。3、所述的钌前驱物为KRu04。4、导电碳材料与KRuO4的重量比为1:0. 1_1:200。5、所述加热处理为微波加热，功率为400-2000W，微波加热时间为l_30min。6、所述真空干燥的干燥温度为60_150°C，干燥时间为2_48h。针对以通用技术中存在的问题，本发明提出了一种工艺相对简单、操作简便、成本 低廉、快速节能且可大批量生产的导电碳/氧化钌复合电极材料的制备方法。本方法制备的导电碳/氧化钌复合材料，不仅具有良好的导电性，而且使得氧化钌以纳米级的离子高度分散在导电碳的表面，显著提高了氧化钌的电化学利用率。将其作为超级电容器电极材料，不仅具有高的比容量、良好的功率特性，而且具有良好的电化学循环稳定性。与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明提出的导电碳/氧化钌复合电极材料的制备方法具有工艺简单、操作简便、成本低廉、制备过程环境友好、快速节能且可大批量生产的优点。与传统工艺相比，本发明提出的制备方法不经过传统的三氯化钌与碱性物质沉淀后再处理的复杂工艺，所制备的氧化钌粒子更细小，在导电碳材料的表面分散更加均匀，并且氧化钌的产率较高。所制备的电极材料具有比容量高、内阻低、能量密度和功率密度高、循环稳定性好等特点，因此该电极材料有望作为一种高性能的超级电容器电极材料应用于混合电动汽车等领域，将具有广阔的工业应用前景。
图I为本发明实施例6所制备的导电碳/氧化钌复合电极材料的比容量曲线。图2为本发明实施例6所制备的导电碳/氧化钌复合电极材料的循环寿命曲线。
具体实施例方式下面举例对本发明做进一步的说明导电碳材料与KRuO4的重量比一般在5:1-1:200。实施例I(A)导电碳/氧化钌电极材料的制备首先，将O. Ig碳纳米管加入到IOOmL蒸馏水中，超声lh，然后称取20g KRuO4，加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为1000W的微波加热设备中加热Imin ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，60°C真空干燥48h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。(B)电极的制备及性能测试将制得的复合电极材料、导电炭黑、聚四氟乙烯(5wt%)、乙醇按照80:10:5:5的比例混合均匀制成浆料，均匀涂覆在不锈钢集流体上，110°C真空干燥10h，以lmol/L硫酸溶液为电解液，采用三电极体系，循环伏安测试复合材料的比容量。
实施例2将O. 5g碳纳米管和O. 5g导电炭黑，加入到IOmL蒸馏水中，超声10h，然后称取O. Ig KRuO4，加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为400W的微波加热设备中加热30min ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，120°C真空干燥2h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。电极的制备与测试方法同实施例I。实施例3将O. Ig导电炭黑，加入到50mL蒸馏水中，超声6h，然后称取Ig KRuO4，加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为600W的微波加热设备中加热IOmin ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，80°C真空干燥10h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。电极的制备与测试方法同实施例I。 实施例4将O. 08g导电碳纤维和O. 02g石墨烯,加入到50mL蒸懼水中，超声15h,然后称取2g KRuO4，加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为1000W的微波加热设备中加热4min ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，120°C真空干燥6h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。电极的制备与测试方法同实施例I。实施例5将O. Ig导电碳纤维,加入到50mL蒸懼水中，超声O. Ih,然后称取I. 5g KRuO4,加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为2000W的微波加热设备中加热6min ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，150°C真空干燥8h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。电极的制备与测试方法同实施例I。实施例6将O. Ig石墨烯，加入到IOOmL蒸馏水中，超声20h，然后称取IOg KRuO4，加入到上述混合液中，搅拌使其充分溶解，待完全溶解后置于功率为700W的微波加热设备中加热5min ;将得到的黑色沉淀过滤、充分洗涤，100°C真空干燥12h，即得导电碳/氧化钌复合电极材料。电极的制备与测试方法同实施例I。
权利要求
1.一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是 (1)将导电碳材料加入到蒸馏水中，超声分散制备导电碳材料的分散液； (2)将含钌前驱物加入到步骤(I)所得的分散液中，搅拌使之完全溶解； (3)将步骤(2)所得的混合液进行加热处理，得到黑色沉淀； (4)将步骤(3)所得的黑色沉淀过滤、洗涤，真空干燥即得导电碳与氧化钌复合电极材料。
2.根据权利要求I所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述的导电碳材料为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或两种以上的任意比例混合物。
3.根据权利要求2所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述的钌前驱物为KRuO4。
4.根据权利要求3所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是导电碳材料与KRuO4的重量比为1:0. 1-1:200。
5.根据权利要求4所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述的导电碳材料的分散液的浓度为O. 001-0. lg/mL，所述超声分散的时间为O.l-20h。
6.根据权利要求1-5任何一项所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述加热处理为微波加热，功率为400-2000W，微波加热时间为l-30min。
7.根据权利要求1-5任何一项所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述真空干燥的干燥温度为60-150°C，干燥时间为2-48h。
8.根据权利要求6任何一项所述的一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法，其特征是所述真空干燥的干燥温度为60-150°C，干燥时间为2-48h。
全文摘要
本发明提供的是一种快速制备导电碳与氧化钌复合电极材料的方法。(1)将导电碳材料加入到蒸馏水中，超声分散制备导电碳材料的分散液；(2)将含钌前驱物加入到步骤(1)所得的分散液中，搅拌使之完全溶解；(3)将步骤(2)所得的混合液进行加热处理，得到黑色沉淀；(4)将步骤(3)所得的黑色沉淀过滤、洗涤，真空干燥即得导电碳与氧化钌复合电极材料。本发明的工艺相对简单、操作简便、成本低廉、快速节能且可大批量生产的导电碳/氧化钌复合电极材料的制备方法。本方法制备的材料，不仅具有良好的导电性，而且使得氧化钌以纳米级的离子高度分散在导电碳的表面，显著提高了氧化钌的电化学利用率。
文档编号H01G9/042GK102903528SQ201210321459
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年4月25日
发明者闫俊, 魏彤, 范壮军, 王倩 申请人:哈尔滨工程大学