本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种纳米nb2o5/碳布复合电极材料的制备方法。
背景技术：
超级电容器(supercapacitor)是一种新型的能量存储装置，因其功率密度高、充放电速度快、循环稳定性优异和使用温度范围宽等优点，受到了人们的广泛关注。五氧化二铌(nb2o5)具有较宽的带隙、高化学稳定性以及耐腐蚀性等物理化学特点，在传感器、催化等领域颇受关注。特别是nb2o5还是一类十分重要的超级电容器电极材料，主要通过电极表面与电解质之间的氧化还原反应储存电能，近年来引起研究人员的广泛兴趣。但目前报道的大部分nb2o5电极均呈现粉末状，无法满足可穿戴、可拉伸等柔性储能器件的未来发展需求。因此在柔性导电基底上直接生长高活性的nb2o5是提高电荷输运、增强电极利用效率的有效策略。目前报道的nb2o5电极制备需在高纯手套箱中进行，对氧含量、水含量要求较高，操作不便。因此发展低成本、高性能、结构易控的nb2o5柔性电极依然充满挑战。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种简易的纳米nb2o5/碳布复合电极材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案由下述步骤组成：
1、将草酸铌、草酸铵和氯化钾加入去离子水中，搅拌均匀，得到电解质溶液，所述电解质溶液中草酸铌浓度为0.02～0.1mol/l、草酸铵浓度为0.05～0.2mol/l、氯化钾浓度为0.3～0.8mol/l。
2、以混酸处理后的碳布为工作电极、铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，放入步骤1的电解质溶液中，通过循环伏安法进行电化学沉积，沉积温度为50～100℃，工作电势区间为-1.6～0v，扫描速率为0.1～5mv/s，循环次数为1～5次。
3、沉积完成后取出碳布超声清洗、真空干燥、煅烧，即得纳米nb2o5/碳布复合电极材料。
上述的电解质溶液中，优选草酸铌浓度为0.05mol/l、草酸铵浓度为0.1mol/l、氯化钾浓度为0.5mol/l。
上述步骤2中，优选沉积温度为60～80℃，工作电势区间为-1.6～0v，扫描速率为0.5～2mv/s，循环次数为2～3次。
上述步骤2中，所述碳布的处理方法为：将碳布依次置于丙酮、乙醇、去离子水中，各超声处理15分钟后干燥，然后在混酸溶液中于50～100℃回流处理1～10h，所述的混酸溶液由质量分数为68％的hno3水溶液和质量分数为98％的h2so4按照体积比为1:3组成；回流后冷却至室温，取出洗涤，真空干燥。
上步骤3中，所述的煅烧是在氮气气氛中550～800℃煅烧1～2h，优选在氮气气氛中600℃煅烧1h。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用电化学沉积技术制备纳米nb2o5/碳布柔性复合电极，所得复合电极中nb2o5纳米颗粒尺寸、含量可控，粒度分布均匀。
2、与以往报道的nb2o5基电极在有机电解液中的电容性能相比，本发明制备的纳米nb2o5/碳布复合电极材料在koh电解液中具有高的比电容值、良好的倍率性能和以及优异的循环稳定性。
3、本发明制备方法简单，省时省力，且原材料成本低，无毒无害，环境友好，有着极其广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料的xrd图。
图2是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料的sem图。
图3是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料的高倍率tem图。
图4是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料在不同扫速下电极的循环伏安曲线。
图5是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料在不同电流密度下电极的恒电流充放电曲线。
图6是实施例1所得纳米nb2o5/碳布复合电极材料在不同电流密度下的比电容。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
1、将0.2691g(5mmol)草酸铌、0.1542g(10mmol)草酸铵和0.3728g(50mmol)氯化钾加入100ml去离子水中，搅拌均匀，得到电解质溶液。
2、将碳布切割成1cm×2cm的尺寸，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声处理15分钟，经60℃干燥后，置于由20ml质量分数为68％的hno3水溶液和60ml质量分数为98％的h2so4水溶液组成的混酸溶液中，经100℃回流处理5h后，冷却至室温，取出并用去大量离子水冲洗至中性，然后置于真空干燥箱中70℃干燥5h，即得混酸处理后的碳布。
以混酸处理后的碳布为工作电极、铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，放入步骤1的电解质溶液中，通过循环伏安法进行电化学沉积，沉积温度为70℃，工作电势区间为-1.6～0v，扫描速率为0.5mv/s，循环次数为2次。
3、沉积完成后取出碳布用去离子水超声清洗、70℃真空干燥5h，然后在氮气气氛下600℃煅烧1h，即得纳米nb2o5/碳布复合电极材料。
采用x-射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等对上述制备的产物进行表征，结果见图1～3。由图1可见，所得产物的衍射峰位置以及强度与jpcds卡片(30-8307)相吻合，表明产物为正交晶系的nb2o5。由图2可见，nb2o5呈纳米颗粒状，且均匀分布在碳布表面，横向尺寸约为50～100nm；由图3可以明显观察到规则的晶格条纹，其晶格条纹间距为0.31nm，对应正交晶系nb2o5的(180)晶面，这一结果与xrd表征结果一致。
将所制备的纳米nb2o5/碳布复合电极材料作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，在3mol/lkoh水溶液测试电极的电化学性能，结果见图4～6。由图4～6可以看出，纳米nb2o5/碳布复合电极材料在10和50ma/cm2电流密度下的面积比电容分别为1454和1250mf/cm2，电容保持率为86％，显示出良好的倍率性能。
实施例2
本实施例的步骤2中，循环次数为1次，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达631mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为512mf/cm2，是前者的81％。
实施例3
本实施例的步骤2中，循环次数为3次，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达922mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为872mf/cm2，是前者的94％。
实施例4
本实施例的步骤2中，循环次数为4次，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达643mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为521mf/cm2，是前者的81％。
实施例5
本实施例的步骤2中，电沉积温度为60℃，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达740mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为650mf/cm2，是前者的88％。
实施例6
本实施例的步骤2中，电沉积温度为80℃，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达712mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为555mf/cm2，是前者的77％。
实施例7
本实施例的步骤1中，草酸铌的用量为0.1076g(2mmol)，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达682mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为600mf/cm2，是前者的88％。
实施例8
本实施例的步骤1中，草酸铌的用量为0.5381g(10mmol)，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合电极材料在10ma/cm2电流密度下的最大比电容值可达668mf/cm2，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm2电流密度下的比电容值为562mf/cm2，是前者的84％。