一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种用于能量储存与转化领域的纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料，属于材料制备技术领域。

背景技术：

近年来，可穿戴的柔性电子器件的需求日益增加，而可弯曲折叠的柔性电池、超级电容器是柔性电子器件的核心部件，其中柔性电极的制备成为不可或缺的关键之一。目前，以碳纤维布为代表的柔性碳基集流体受到广泛关注，其具有优异的可折叠弯曲性能、优良的导电性能、较高的可负载比表面积和质量轻等优点，由其制备的电极相对于传统金属集流体制备的电极具有较高的能量密度，不需使用导电剂和粘结剂，且具有较强的可折叠弯曲性能。同时，基于碳纤维布的电极材料也开始应用于电催化等其它能量储存与转化领域，且取得了一定的进展。

然而，现有的碳纤维布基复合电极均是以碳纤维表面复合活性材料的方式进行制备，包括活性材料的直接涂覆、水热法或电沉积等方法的原位生长以及磁控溅射镀膜等方法。这类方式制备的电极在折叠弯曲过程中表面连续的活性物质结构易损坏，且活性物质直接暴露在电解液中，对于体积效应明显的活性物质，在循环中易脱落导致性能降低。此外，静电纺丝法制备的聚丙烯腈基纳米碳纤维电极材料，具有成本较高、生产效率低、不适合大面积制备以及不环保等缺点。

过渡金属及其氧化物、硫化物、氮化物、磷化物在超级电容器、锂/钠离子电池、电催化等领域的应用由来已久，它们一般具有较好的导电性、较高的能量密度和较好的循环寿命，以及化学性质稳定、安全无污染、廉价易得等特点，因而备受关注，具有广阔的应用前景。目前，为了提高这类材料的电化学性能，将其与碳材料复合、减小其颗粒尺寸等设计思路已经得到了普遍运用

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法，克服了折叠弯曲过程中表面连续的活性物质结构易损坏、循环过程中活性物质易脱落等缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料及其制备方法，通过浸渍法在预硝酸处理的微米级酚醛基活性碳纤维内负载过渡金属盐，再通过高温处理得到介孔碳纤维内嵌过渡金属单质或其氧化物纳米颗粒的复合电极材料，继续进行高温氧化/硫化/氮化/磷化还可以得到介孔碳纤维内嵌过渡金属氧化物/硫化物/氮化物/磷化物纳米颗粒的复合电极材料。

进一步的，微米级酚醛基活性碳纤维的直径尺寸为2-20μm。

进一步的，酚醛基活性碳纤维的预硝酸处理方法为：将碳纤维布浸没在浓硝酸中，浸泡温度为40-120℃，浸泡时间为4-24h。

进一步的，浸渍法的浸渍时间为6-48h，浸渍温度为10-60℃，浸渍选用的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚中的一种或两种。

进一步的，过渡金属具体指ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、nb、mo、ru、pd、ag、cd、w、al、ga、in、sn、pb、bi中的任意一种或多种；所述过渡金属盐为上述过渡金属的硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、氯盐、氟盐、乙酸盐中的任意一种或多种，过渡金属盐的浓度为0.05-2mol/l。

进一步的，将负载过渡金属盐的碳纤维布放置于管式炉中进行高温处理，处理所用的气氛为氮气、氩气、氢气或氩氢混合气，处理温度为600-1500℃，保温时间为0.5-5h。

进一步的，将内嵌过渡金属单质或其氧化物的碳纤维布放置在管式炉中进行高温氧化/硫化/氮化/磷化；其中氧化处理所用的气氛为氧气或空气，处理温度为250-550℃，保温时间为5-20h；硫化处理所用的气氛为氮气或氩气，将硫粉或硫脲放置在管式炉靠进气口的一端，处理温度为150-450℃，保温时间为5-15h；氮化处理所用的气氛为氮气或氩气，将尿素放置在管式炉靠进气口的一端，或直接使用氨气气氛，处理温度为150-800℃，保温时间为3-10h；磷化处理所用的气氛为氮气或氩气，将次磷酸钠/次磷酸钾放置在管式炉靠进气口的一端，处理温度为200-450℃，保温时间为1-5h；其中硫化/氮化/磷化过程中，过渡金属单质或其氧化物和硫粉/硫脲/尿素/次磷酸钠/次磷酸钾的摩尔比为1:0.2-1:10。

上述方法制得的复合电极材料，为于微米级酚醛基碳纤维内部生成2-50nm的介孔，纳米颗粒均匀填充在该碳纤维内部的介孔中，形成纳米颗粒内嵌于介孔碳纤维内部的复合结构。

进一步的，介孔碳纤维的bet比表面积为700-1500m²/g，比孔容积为0.1-0.8cm³/g。

进一步的，纳米颗粒的直径为10-500nm，纳米颗粒相对于整个电极的质量比载量为10-70％，面积比载量为1-12mg/cm²。

本发明相比于现有技术相比：

1、制备的柔性电极材料不需要金属集流体、粘结剂和导电剂，且活性材料内嵌在碳纤维(导电集流体)内部，有效减少电极体积，有利于提高电极的能量密度和功率密度。

2、制备的介孔碳纤维布内嵌复合过渡金属及其氧化物、硫化物、氮化物、磷化物的柔性电极，相比较于常规的将活性物质复合在碳纤维表面而制备的电极，不仅提高了离子、电子的输运能力，同时有效减少了活性材料在循环过程中的质量损失，应用在超级电容器、锂/钠离子电池以及电催化等领域中体现了更优异的电化学性能。

3、制备的柔性电极材料在折叠弯曲过程活性物质不易脱落，且具有较好的力学柔韧性能，能有效应用于柔性电子器件的制备。

附图说明

图1为实施例1中nis2纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料的实物照片；

图2为实施例1中所得介孔碳纤维布的bet吸脱附曲线；

图3为实施例1中ni纳米颗粒/碳纤维布复合材料的扫描电镜图像；

图4为实施例1中nis2纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料的扫描电镜图像；

图5为实施例1中nis2纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料作为锂离子电池负极在0.1a/g下的循环性能图；

图6为实施例1中nis2纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料作为钠离子电池负极在0.1a/g下的循环性能图；

图7为实施例1中nis2纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料作为钠离子电池负极在的倍率性能图；

图8为实施例2中fe2o3纳米颗粒/碳纤维布复合电极材料作为超级电容器电极在10a/g下的循环性能图。

具体实施方式

实施例1

将一块酚醛基活性碳纤维布浸没于浓硝酸中100℃预处理12h，之后用水和乙醇清洗干净备用。将预处理后的碳纤维布放置在0.5m的硝酸镍水溶液中20℃浸泡6h。将负载有硝酸镍的碳纤维布放置于管式炉中，通氩氢混合气，加热到800℃，保温0.5h，得到介孔碳纤维内嵌纳米镍颗粒的复合物。其中介孔碳纤维布的bet比表面积约为1100m²/g，比孔容积约为0.5cm³/g，镍颗粒尺寸为20-60nm。将所制得的复合物放置在管式炉中，将硫粉放置在管式炉靠进气口的一端，复合物中镍和硫粉的摩尔比为1:2，通氩气，加热到200℃，保温10h，最后得到介孔碳纤维布内嵌nis2纳米颗粒的复合电极材料。nis2颗粒直径为50-120nm，质量比载量约为30％，面积比载量约为5mg/cm²。图1为介孔碳纤维内嵌nis2纳米颗粒的电极材料的实物照片，从图中可以看出该电极材料具有较好的柔性；图2为所得介孔碳纤维布的bet吸脱附曲线；图3为介孔碳纤维内嵌纳米镍颗粒复合物的扫描电镜图像，从截面上看，镍颗粒均匀地分布在碳纤维内部；图4为碳纤维内嵌nis2纳米颗粒的扫描电镜图像，nis2纳米颗粒均匀内嵌在介孔碳纤维内部。

将得到nis2复合碳纤维布直接作为测试电极，金属锂作为对电极，聚丙烯膜作为隔膜组装成锂离子半电池，电解液为：1mlipf6/dmc:ec＝1:1，测试充放电电压区间为0.01-3v。图5为制作的锂离子半电池在0.1a/g电流密度下的循环性能图，在500圈后依然保持1000mah/g，循环保持率约95％。

将得到nis2复合碳纤维布直接作为测试电极，金属钠作为对电极，玻璃纤维膜作为隔膜组装成钠离子半电池，电解液为：1mnaclo4/ec：dec(1:1)+2wt％fec，测试充放电电压区间为0.01-3v。图6制作的钠离子半电池在0.1a/g电流密度下的循环性能图，在200圈后依然保持600mah/g，循环保持率约91％；图7为制作的钠离子半电池的倍率性能图，在5a/g的电流密度下容量仍保持360mah/g，体现了较好的倍率性能。

实施例2

将一块酚醛基活性碳纤维布浸没于浓硝酸中90℃预处理4h，之后用水和乙醇清洗干净备用。将预处理后的碳纤维布放置在0.1m的氯化铁乙醇溶液中40℃浸泡24h。将负载有氯化铁的碳纤维布放置于管式炉中，通氩气，加热到900℃，保温2h，得到介孔碳纤维内嵌纳米铁颗粒的复合物。将所制得的复合物放置在管式炉中，通氧气，加热到350℃，保温10h，最后得到介孔碳纤维布内嵌fe2o3纳米颗粒的复合电极材料。

将得到的fe2o3复合碳纤维布作为超级电容器电极材料进行三电极体系测试，铂片作为对电极，ag/agcl作为参比电极，1mna2so4作为电解液，在室温下进行恒电流充放电测试，电压区间为-0.9-0v。图8为fe2o3复合碳纤维布作为超级电容器电极材料的循环性能图，在2a/g下的比容量为180f/g(基于整个电极)，在10a/g下5000圈的循环保持率约为88％。

实施例3

将一块酚醛基活性碳纤维布浸没于浓硝酸中120℃预处理4h，之后用水和乙醇清洗干净备用。将预处理后的碳纤维布放置在0.05m的四氯化钛水溶液中20℃浸泡48h。将负载有四氯化钛的碳纤维布放置于管式炉中，通氩气，加热到1200℃，保温1h，得到介孔碳纤维内嵌纳米氧化钛颗粒的复合物。将所制得的复合物放置在管式炉中，通氨气，加热到650℃，保温10h，最后得到介孔碳纤维布内嵌tin纳米颗粒的复合电极材料。

实施例4

将一块酚醛基活性碳纤维布浸没于浓硝酸中100℃预处理6h，之后用水和乙醇清洗干净备用。将预处理后的碳纤维布放置在0.1m的硫酸铜和0.1m硫酸钴的混合水溶液中30℃浸泡24h。将负载有硫酸铜和硫酸钴的碳纤维布放置于管式炉中，通氩气，加热到1000℃，保温2h，得到介孔碳纤维内嵌纳米铜和钴颗粒的复合物。将所制得的复合物放置在管式炉中，将次磷酸钠放置在管式炉靠进气口的一端，复合物中铜与钴和次磷酸钠的摩尔比为1:5，通氩气，加热到400℃，保温2h，最后得到介孔碳纤维布内嵌cu3p和co2p纳米颗粒的复合电极材料。