一种利用气相扩渗法在氧化钛纳米管上负载碳的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种复合材料的方法。
【背景技术】
[0002] 现代社会最有发展前景的电能储存装置应当为超级电容器和电池，众所周知，与 电池相比来说，超级电容器具有快速充放电并且使用寿命很长的优点。Ti化是常见的宽禁 带半导体，其物理化学稳定、无毒、廉价和良好的光响应，一维纳米结构Ti化由于具有大的 比表面积，有利于电化学过程的电荷转移W及电能储存，且克服了纳米Ti〇2粉体容易团聚 的弱点，因而表现出优异的电化学性能。阳极氧化Ti〇2纳米管阵列能够在提供大的表面积 的同时保持高定向的孔桐结构，运样一些高度规则的空桐结构能够显著的改善离子的迁移 和电荷的传递。由于二氧化铁纳米管的电阻比较大，所W电容水平有待进一步提高。碳是 最常见的双电层电容器电极材料，也是一常见的渗杂元素，因此对氧化铁纳米管阵列进行 碳渗杂可有效提高二氧化铁的导电能力，从而提高纳米管阵列电极的电容。但在已有研究 工作中均是采用添加渗杂的技术路线，存在着渗杂不均匀、浓度不好控制、材料的总体性能 波动较大等问题，不利于材料性能的改善，直接影响到材料的应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要解决氧化铁纳米管进行碳渗杂，存在渗杂不均匀，浓度不易控 制和材料的总体性能波动较大的问题，并提高氧化铁纳米管的电化学性能，而提供一种利 用气相扩渗法在氧化铁纳米管上负载碳的方法。
[0004] 一种利用气相扩渗法在氧化铁纳米管上负载碳的方法，是按W下步骤完成的： 阳0化]一、阳极氧化法制备二氧化铁纳米管：
[0006] ①、依次使用120#SiC砂纸、1000#SiC砂纸和2000#SiC砂纸对铁片进行打磨处理， 得到表面光亮的铁片；
[0007] ②、依次使用无水乙醇和丙酬分别对表面光亮的铁片进行清洗3次~5次，得到处 理后的铁片；
[0008] 二、将电解液加入到无机玻璃电解槽中，处理后的铁片与电源的正极相连接，作为 阳极，铜片与电源的负极相连接，作为阴极；采用直流电源进行供电，在电压为20V~60V下 反应90min~120min，取出反应后的铁片；
[0009] 步骤二中所述的电解液由NaF和质量分数为85 %的憐酸混合而成，溶剂为水；所 述的电解液中NaF的浓度为0. 14mol/L~0. 5mol/l，质量分数为85%的憐酸的浓度为 10g/250mL~30g/250mL;
[0010] S、将反应后的铁片在溫度为60°C~80°C下烘干IOmin~20min，得到氧化铁纳米 管；
[0011] 四、将实验室滴渗电炉升溫至64°C~65°C，再W80滴/min的滴速向实验室滴渗 电炉内滴入30血~40血渗剂，再在溫度为64°C~65°C的条件下保持IOmin~30min，得到 排出空气后的实验室滴渗电炉；
[0012] 五、将氧化铁纳米管加入到排出空气后的实验室滴渗电炉中，再将排出空气后的 实验室滴渗电炉封好，再将实验室滴渗电炉升溫至400°C~700°C，再W60滴/min~80 滴/min的滴速向排出空气后的实验室滴渗电炉内滴入IOOmL~700mL甲醇，再在溫度为 400°C~700°C下气相扩渗Ih~化，得到表面负载碳的氧化铁纳米管，即完成一种利用气相 扩渗法在氧化铁纳米管上负载碳的方法。 阳〇1引本发明的优点：
[0014] 一、本发明利用一种新的材料的改性方法一气相扩渗，使氧化铁纳米管表面上负 载的碳均匀，氧化铁纳米管表面上负载碳后导电性能显著改善，具有良好的电容性能；
[0015] 二、本发明制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的直径为100皿~200皿；
[0016] =、本发明制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的电阻比氧化铁纳米管的电阻为降 低1000倍；说明本发明制备的氧化铁纳米管上负载碳后提高了导电性； 阳017] 四、氧化铁纳米管的放电时间为4s，本发明制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的 放电时间为73. 4s~84s，计算出氧化铁纳米管的面积比电容为0. 6mF/cm2,本发明制备的 表面负载碳的氧化铁纳米管的电容为llmF/cm2~13mF/cm2,本发明制备的表面负载碳的氧 化铁纳米管的电容值与氧化铁纳米管相比提高了 20倍，而且随着甲醇的增加，面积比电容 变化不大，但趋势是先增加后减小；
[0018] 五、本发明制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的电容值比铁片的电容值提高了 8 倍；
[0019] 六、本发明制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的电容保持率大于95. 12%。
[0020] 本发明可获得一种利用气相扩渗法在氧化铁纳米管上负载碳的方法，并且气相扩 渗负载碳后的氧化铁纳米管的导电性提高了=个数量级，比电容提高了 20倍。
【附图说明】 阳02U 图1为实施例一制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的SEM图； 阳02引 图2为拉曼光谱图，图2中为D峰，G为G峰；
[0023] 图3为交流阻抗图，图3中1为氧化铁纳米管的交流阻抗曲线，2为实施例一制备 的表面负载碳的氧化铁纳米管的交流阻抗曲线，3为实施例二制备的表面负载碳的氧化铁 纳米管的交流阻抗曲线，4为实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的交流阻抗曲线， 5为实施例四制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的交流阻抗曲线；
[0024] 图4为不同扫描速度的循环伏安曲线图，图4中1为实施例一制备的表面负载碳 的氧化铁纳米管在lOOmV/s的扫描速度下的循环伏安曲线图，图4中2为实施例一制备的 表面负载碳的氧化铁纳米管在50mV/s的扫描速度下的循环伏安曲线图，图4中3为实施例 一制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在30mV/s的扫描速度下的循环伏安曲线图，图4中 4为实施例一制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在lOmV/s的扫描速度下的循环伏安曲线 图；
[0025] 图5为恒流充放电曲线，图5中1为氧化铁纳米管的恒流充放电曲线，2为实施例 一制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的恒流充放电曲线，3为实施例二制备的表面负载碳 的氧化铁纳米管的恒流充放电曲线，4为实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的恒 流充放电曲线，5为实施例四制备的表面负载碳的氧化铁纳米管的恒流充放电曲线；
[0026] 图6为在电流密度为0.075mA/cm2下的充放电曲线，图6中1为铁片在电流密度为 0. 075mA/cm2下的充放电曲线，2为实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在电流密度 为0. 075mA/cm2下的充放电曲线；
[0027] 图7为实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在不同的电流密度下的充放 电曲线，图7中1为实施例S制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在2. 5mA/cm2下的充放电 曲线，2为实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在0. 25mA/cm2下的充放电曲线，3为 实施例=制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在0. 125mA/cm2下的充放电曲线，4为实施例= 制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在0.ImA/cm2下的充放电曲线，5为实施例=制备的表面 负载碳的氧化铁纳米管在0. 〇75mA/cm2下的充放电曲线；
[0028] 图8为实施例S制备的表面负载碳的氧化铁纳米管在0. 05mA/cm2电流密度条件 下200个恒流充放电循环的前两个和最后两个循环的充放电曲线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0029] 一：本实施方式是一种利用气相扩渗法在氧化铁纳米管上负载碳的 方法是按W下步骤完成的：
[0030] 一、阳极氧化法制备二氧化铁纳米管：
[0031] ①、依次使用120#SiC砂纸、1000#SiC砂纸和2000#SiC砂纸对铁片进行打磨处理， 得到表面光亮的铁片；
[0032] ②、依次使用无水乙醇和丙酬分别对表面光亮的铁片进行清洗3次~5次，得到处 理后的铁片；
[0033] 二、将电解液加入到无机玻璃电解槽中，处理后的铁片与电源的正极相连接，作为 阳极，铜片与电源的负极相连接，作为阴极；采用直流电源进行供电，在电压为20V~60V下 反应90min~120min，取出反应后的铁片；
[0034] 步骤二中所述的电解液由NaF和质量分数为85%的憐酸混合而成，溶剂为水； 所述的电解液中化。的浓度为0.14111〇1/1~0.5111〇1/1，质量分数为85%的憐酸的浓度为 10g/250mL~30g/250mL;
[0035] =、将反应后的铁片在溫度为60°C~80°C下烘干IOmin~20min，得到氧化铁纳米 管；
[0036] 四、将实验室滴渗电炉升溫至64°C~65°C，再W80滴/min的滴速向实验室滴渗