一种复合材料的制备方法、复合材料及超级电容器与流程

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种复合材料的制备方法、复合材料及超级电容器。

背景技术：

超级电容器是相对传统电池和电容器而言的革新产品，其充放电速率快、具有较高的能量密度、功率密度，并且其环境友好性和比较长的循环寿命等特点使得其受到越来越多的科研工作者的关注，具有广阔的应用和发展前景。

但是，现有技术中的超级电容器一般是由碳纳米管、金属氧化物等制备得到，但是，通过该方法制备的超级电容器存在原料成本高、原料不易得，制备工艺复杂等问题。

技术实现要素：

本发明提供一种复合材料的制备方法、复合材料及超级电容器，解决了或部分解决了现有技术中通过碳纳米管、金属氧化物等制备超级电容器，造价高，制备工艺复杂的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合材料的制备方法包括以下步骤：制备二氧化钛纳米棒阵列；将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将所述第一溶液与所述第二溶液混合，剧烈震荡20-40s，得到混合溶液；将所述二氧化钛纳米棒阵列放入所述混合溶液中，反应1-3h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

进一步地，所述制备二氧化钛纳米棒阵列包括以下步骤：制备第三盐酸溶液；将钛酸四丁酯放入所述第三盐酸溶液内，使所述钛酸四丁酯溶解在所述第三盐酸溶液内，并通过磁力搅拌15-30min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液；将FTO导电玻璃放入所述钛酸四丁酯的盐酸溶液中，在140-160℃的温度下，水热反应3-10h，得到二氧化钛纳米棒阵列。

进一步地，所述第三盐酸溶液内的浓盐酸与去离子水的体积比为1:1；

进一步地，所述钛酸四丁酯的体积为0.8ml-1ml。

进一步地，所述过硫酸铵与所述苯胺的摩尔比为1:1。

进一步地，所述将二氧化钛纳米棒阵列放入所述混合溶液中包括以下步骤：将设置有所述二氧化钛纳米棒阵列的玻片竖直放入所述混合溶液内。

进一步地，所述洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料包括以下步骤：通过去离子水洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

进一步地，所述洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料包括以下步骤：将洗涤后得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料在室温下静置1-2h。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，由复合材料的制备方法制备得到。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种超级电容器，采用二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行储能。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

制备二氧化钛纳米棒阵列，得到的二氧化钛纳米棒阵列可提高电子传输速率，将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡20-40s，得到混合溶液，将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，反应1-3h，使聚苯胺均匀包裹在二氧化钛纳米棒阵列的表面，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，制备工艺简单，造价低，重复性好，得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料结构稳定，形貌可控，易放大，而且还具有良好的储电性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复合材料的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的二氧化钛纳米棒阵列的扫描电镜图；

图3为本发明实施例提供的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料的扫描电镜图；

图4为本发明实施例提供的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料的充放电图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，制备二氧化钛纳米棒阵列。

步骤S2，将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡20-40s，得到混合溶液。

步骤S3，将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，反应1-3h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

本申请具体实施方式制备二氧化钛纳米棒阵列，得到的二氧化钛纳米棒阵列可提高电子传输速率，将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡20-40s，得到混合溶液，将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，反应1-3h，使聚苯胺均匀包裹在二氧化钛纳米棒阵列的表面，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，制备工艺简单，造价低，重复性好，得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料结构稳定，形貌可控，易放大，而且还具有良好的储电性能。

本申请二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料在太阳能电池、导电元器件、超级电容器的电极材料、光电催化、传感器等方面具有良好的应用前景。

详细介绍步骤S1。

制备二氧化钛纳米棒阵列包括以下步骤：

步骤S11，制备第三盐酸溶液。

步骤S12，将钛酸四丁酯放入第三盐酸溶液内，使钛酸四丁酯溶解在第三盐酸溶液内，并通过磁力搅拌15-30min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。

步骤S13，将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，在140-160℃的温度下，水热反应3-10h，得到二氧化钛纳米棒阵列。

其中，FTO为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(SnO2：F)，具有对可见光透光性好、紫外吸收系数大、电阻率低、化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强等优点。

第三盐酸溶液内的浓盐酸与去离子水的体积比为1:1，将浓盐酸充分溶解于去离子水内，以有利于保持盐酸溶液的酸度，防止钛酸四丁酯的过快降解，可以通过超声、搅拌的方式来实现加快浓盐酸溶解于去离子水溶解。

当量取钛酸四丁酯溶液时，采用移液器将钛酸四丁酯放入盐酸溶液内，磁力搅拌器，可通过磁力搅拌器将钛酸四丁酯充分溶解在盐酸溶液内。

钛酸四丁酯的浓度会影响二氧化钛纳米棒阵列的形貌及尺寸，所以，限定钛酸四丁酯的体积为0.8ml-1ml。

采用化学氧化法制备二氧化钛纳米棒阵列，相比于电镀法，操作更加简单，节能，工艺条件易控制，未采用特别大型或者昂贵的仪器，实验条件容易实现，易得到，因此，本申请制备二氧化钛纳米棒阵列的方法具有工艺简单、重复性好、条件温和、安全、设备投资少、生产成本低、对环境无污染等优点。

详细介绍步骤S2和S3。

控制过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1:1，采用化学氧化法使聚苯胺能够进行原位合成，将设置有二氧化钛纳米棒阵列的玻片竖直放入混合溶液内，使苯胺及过硫酸铵在第二盐酸溶液中实现原位合成聚苯胺并均匀包裹在二氧化钛纳米棒阵列的表面。通过硫酸铵与苯胺的量控制聚苯胺包裹在二氧化钛纳米棒阵列的厚度。相比于电镀法，操作更加简单，节能，工艺条件易控制，未采用特别大型或者昂贵的仪器，实验条件容易实现，易得到，并且通过去离子水洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，不需要购买溶剂乙醇、丙酮等，可以实现环保的同时降低实验成本。

将洗涤后得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料在室温下静置1-2h。

本申请还提出一种二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，该二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料采用了所述复合材料的制备方法，该二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料的具体制备方法参照上述实施例，由于本二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

本申请还提出一种超级电容器，该超级电容器采用了所述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行储能，该二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料的具体制备方法参照上述实施例，由于本超级电容器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

为了更清楚地介绍本发明实施例，下面从本发明实施例的使用方法上予以介绍。

使用方法1

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌20min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，150℃下水热反应5h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡30s，得到混合溶液。

将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，持续反应2h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将以上各步骤得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电子显微镜扫描，得到了场发射扫描电镜显微图，参见图2-3。

由图2中可以看出，本发明得到的二氧化钛纳米棒阵列，形貌好，尺寸均一，由图3中可以看出，本发明得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料，聚苯胺均匀包裹在二氧化钛纳米阵列的表面，形貌好，尺寸均一。

将二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，参见图3，可以检测到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料充电时间短，放电时间长，储电性能相对于二氧化钛纳米棒阵列、聚苯胺有了很大的提升。

使用方法2

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌15min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。钛酸四丁酯用移液器量取，体积为0.8ml。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，140℃下水热反应3h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡20s，得到混合溶液。过硫酸铵和苯胺的摩尔比为1:1。

将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，持续反应1h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电化学测试，结果显示其储电性能良好，且稳定性好。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，结果显示其储电能能良好，且稳定性好。

使用方法3

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌30min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。钛酸四丁酯用移液器量取，体积为1ml。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，160℃下水热反应10h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡40s，得到混合溶液。过硫酸铵和苯胺的摩尔比为1:1。

将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，持续反应3h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电化学测试，结果显示其储电性能良好，且稳定性好。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，结果显示其储电能能良好，且稳定性好。

使用方法4

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌15min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。钛酸四丁酯用移液器量取，体积为1ml。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，160℃下水热反应3h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡20s，得到混合溶液。过硫酸铵和苯胺的摩尔比为1:1。

将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，持续反应3h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电化学测试，结果显示其储电性能良好，且稳定性好。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，结果显示其储电能能良好，且稳定性好。

使用方法5

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌20min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。钛酸四丁酯用移液器量取，体积为0.9ml。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，140℃下水热反应3h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡30s，得到混合溶液。过硫酸铵和苯胺的摩尔比为1:1；

将二氧化钛纳米棒阵列放入混合溶液中，持续反应1h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电化学测试，结果显示其储电性能良好，且稳定性好。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，结果显示其储电能能良好，且稳定性好。

使用方法6

配置第三盐酸溶液，将钛酸四丁酯溶解其中，磁力搅拌15min，得到钛酸四丁酯的盐酸溶液。钛酸四丁酯用移液器量取，体积为0.8ml。

将FTO导电玻璃放入钛酸四丁酯的盐酸溶液中，140℃下水热反应5h，制备得到二氧化钛纳米棒阵列。

将苯胺溶于第一盐酸溶液中形成第一溶液，将过硫酸铵溶于第二盐酸溶液中形成第二溶液，将第一溶液与第二溶液混合，剧烈震荡40s，得到混合溶液。过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1:1。

将所述二氧化钛纳米棒阵列放入所述混合溶液中，持续反应2h，洗涤后得到二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行电化学测试，结果显示其储电性能良好，且稳定性好。

将上述二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料进行充放电测试，结果显示其储电能能良好，且稳定性好。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明的复合材料的制备方法工艺简单，重复性好、条件温和、安全、设备投资少、生产成本低、对环境无污染等优点，得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料结构稳定，而且还具有良好的储电性能，得到的二氧化钛和聚苯胺的纳米复合材料结构稳定，形貌可控，易放大，而且还具有良好的储电性能，在太阳能电池、导电元器件、超级电容器的电极材料、光电催化、传感器等方面具有良好的应用前景。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。