碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极的制备方法与流程

本发明涉及一种柔性超级电容器电极的制备方法，即通过离子浸泡和高温碳化，制备碳化纤维布负载fe2o3纳米线阵列。该方法操作简单、成本低、重复性好，且易于控制。

背景技术：

在新兴能源储存技术中，超级电容器因具有诸如高功率密度、长寿命、环境友好、安全可靠等优点，受到科研界和产业界的密切关注。与传统电池相比，超级电容器的能量密度相对较低，这限制了其广泛应用。开发具备高比表面积、低电阻和强机械稳定性的电极材料是提高超级电容器能量密度的关键。

超级电容器包括以碳材料为主的双电层和以金属氧化物或导电聚合物为主的赝电容电容器。碳材料的成本低，功率密度高，循环寿命长，而导电性差的金属氧化物能量密度高，循环性能差；将二者优势结合将会大大提升整体材料的电化学性能。目前，国际上已有该类复合材料的报道，如co-alldh复合活化碳布、feooh/石墨烯，等。然而，活性材料和基底间的结合通常会增加接触电阻，且电化学稳定性差，这使材料性能无法满足应用需求。

本发明以普通纤维布为基底，利用在碱溶液中超声浸泡进行活化处理，然后直接高温碳化。在碳化过程中既获得了柔性导电碳纤维布，同时也生长了fe2o3纳米线阵列。通过控制naoh和fe(no3)的浓度可调节产物形貌。该制备方法获得的电极材料拥有良好的电容性能。

技术实现要素：

本发明的目的：本发明以普通纤维布为基底，利用在碱溶液中超声浸泡进行活化处理，然后直接高温碳化。在碳化过程中既获得了柔性导电碳纤维布，同时也生长了fe2o3纳米线阵列。通过探讨反应物浓度对纳米结构及性能的影响，最大程度提升材料的比电容。本发明以生活中常见的低成本纤维布为原材料，制得柔性超级电容器电极，具有良好的应用价值。

本发明的技术方案是：取适量的naoh溶解于去离子水中，磁力搅拌5min；取一定尺寸的纤维布浸入naoh溶液中，放入超声波清洗机中超声1h；将处理后的棉布取出，80℃真空干燥箱中干燥；然后配置浓度为10～50mm的fe(no3)3水溶液，将干燥后的碱处理纤维布浸泡到fe(no3)3溶液中，放入超声波清洗机中超声10min；将fe(no3)3溶液处理后的纤维布取出，80℃真空箱中干燥，得到前驱体。最后，将负载前驱体的棉布放入管式炉中，在持续通氮气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至800℃，保温2h进行碳化。自然冷却后，得到最终产物碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极。

作为最佳反应参数，每50cm²的纤维布浸入100ml的naoh溶液中；naoh溶液浓度范围为0.25m～2m，fe(no3)3溶液浓度范围为10～50mm。

作为最佳方案，取纤维布浸入naoh溶液中，放入超声波清洗机中超声，超声功率为100w，处理时间1h，80℃真空箱中干燥8h。

作为最佳方案，将干燥后的碱处理纤维布浸入fe(no3)3溶液中，放入超声波清洗机中超声10min，超声功率为100w，80℃真空箱中干燥8h。

作为最佳方案，将负载前驱体的棉布放入管式炉中，在持续通氮气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至800℃，保温2h进行碳化。

本发明首次制得碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极。与其它方法相比，本发明提出的制备方法该方法操作简单、成本低、环境友好，且易于控制及规模化。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了一种以普通纤维布为原料制备超级电容器电极的新方法。

(2)仅通过离子浸泡、超声及热处理就可制备高比表面积的碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极。

(3)制备的电极具有非常好的柔性，可以任意角度弯曲折叠；且具有较高的比电容和良好循环稳定性。

(4)与其它方法相比，该制备方法具有以下优点：

①实验装置、实验条件和制备过程非常简单，容易操作；

②可控性好，通过调节反应物浓度控制产物的形貌和纳米结构；

③成本低廉，具有良好的工业化应用前景；

④适用性强，可推广到其它金属氧化物/碳复合材料的可控制备及规模化生产。

附图说明

图1为实施例1流程中材料的颜色变化(a)长方形的纤维布原材料；(b)实验流程中外观颜色变化。

图2为实施例1制备产物的xrd图。

图3为实施例1制备电极材料的(a)循环伏安曲线；(b)恒流充放电曲线；(c)充放电循环3000次，初始5次循环和最后5次的充放电曲线对比。

图4为不同fe(no3)3浓度制备产物的sem图。(a)10mm；(b)20mm；(c)30mm；(d)50mm。

图5为实施例1-4制备电极材料在不同电流密度下的比电容值。

具体实施方式

本发明中制备碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极的具体实施方式如下：

实施例1

碳化纤维布上搭载fe2o3纳米线材料制备：取面积为50cm²的长方形纤维布浸入100ml浓度为1m的naoh水溶液中，放入超声波清洗机中超声1h；将处理后的棉布取出，80℃真空箱中干燥10h；然后将碱处理纤维布浸入浓度为20mm的fe(no3)3水溶液中，放入超声波清洗机中超声10min；取出后，在80℃真空箱中干燥10h，得到前驱体。最后，将负载前驱体的棉布放入管式炉中，在持续通氮气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至800℃，保温2h进行碳化。自然冷却后，得到最终产物碳化纤维布负载氧化铁纳米线柔性电极。

最终产物取出后，切成尺寸为3cm×1cm的长方形，直接用于电化学性能测试。

图1可见原始纤维布在第一步浸泡碱溶液后呈淡黄色，说明碱对纤维布组织产生了作用；第二步fe(no3)3溶液处理后，纤维布呈红褐色，与fe(oh)3颜色相同，这与本发明的设计思路一致；碳化后，整块碳布呈黑色，且保持原有纤维布的力学性能。

图2为实施例1制备产物的xrd图，根据与标准pdf卡片对比，证实产物为fe2o3。

图3为实施例1制备电极材料的电化学性能测试图。图3(a)为不同扫描速率下的循环伏安曲线，样品的cv曲线为接近四边形的曲线，表明该电极充放电过程是典型的碳材料双电层电容。在不同的扫描速率下，随着扫描速率的增大，峰电流值呈上升趋势，且曲线形状越来越偏离矩形。循环伏安曲线对成性最好，说明其具有良好的可逆性。图3(b)为不同电流密度下的充放电曲线，图中可以看出，不同电流密度的充放电曲线都呈较对称的三角形分布，各恒流充放电的斜率基本保持恒定，说明材料具有良好的电容特性。图3(c)为循环3000圈前后五圈的充放电曲线对比，由图不难看出两者相差不大，经过计算电容保持率在90％以上，说明产物具有较好的循环稳定性。

实施例2

fe(no3)3反应浓度为10mm，其他条件和实施例1相同。

实施例3

fe(no3)3反应浓度为30mm，其他条件和实施例1相同。

实施例4

fe(no3)3反应浓度为50mm，其他条件和实施例1相同。

图4不同fe(no3)3反应浓度制备产物的sem图片。可以看到，随着反应浓度的增加，产物形貌逐渐发生变化。当fe(no3)3反应浓度为10mm时(实施例2)，碳管上呈多孔结构，有均匀一定量的纳米线出现(如图4a)；当fe(no3)3反应浓度为20mm(实施例1)时，碳管上均匀分布着密集的纳米线(如图4b)；当fe(no3)3反应浓度增加到30mm时(实施例3)，碳管上出现微米级颗粒团聚，纳米线数量减少(如图4c)；当fe(no3)3反应的浓度进一步增加到50mm时(实施例4)，碳管上颗粒团聚增加，纳米线数量进一步减少(如图4d)。通过以上实施案例，我们得到了最佳的反应浓度。

图5为实施例1-4制备电极材料在不同电流密度下的比电容值。随着电流密度的增大，产物的比电容值均逐渐降低。在同一扫描速率下，各实施案例的电容值均有相同的变化规律。在fe(no3)3反应浓度20mm时，产物的比电容达到最高值。这与sem的表征结果相符合。在5ma/cm²的电流密度下，比电容最高达到了为540f/g。