一种碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料的制备方法及应用。该纳米阵列是以泡沫金属为基底，采用两步简单易操作的化学合成方法，在泡沫金属表面上原位生长碱式氧化物纳米片阵列。通过控制反应的温度、时间、氧化剂的浓度可调控碱式氧化物(MOOH)纳米阵列的量。本发明专利技术合成的MOOH纳米阵列作为超级电容器的正极材料表现出了优异的性能，其比电容值达到了2550F/g(1.25A/g)，在10A/g的电流条件下，经过5000次充放电测试，该电极材料的比电容值仍然保持83％。此外，该碱式氧化物纳米阵列作为结构化超电容材料，避免了加入粘结剂、乙炔黑等添加剂，简化了组装工序，提升了工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碱式氧化物纳米阵列材料制备
，具体涉及一种原位生长在泡沫金属基体上的碱式氧化物纳米阵列的制备方法及其在超级电容方面的应用。
技术介绍
随着世界人口的快速增长及全球工业化的迅猛发展，能源危机已经成为人们所面临的重大挑战之一。作为储量有限的煤炭、石油、天然气等化石能源面临枯竭的危险。同时，大量化石能源的使用还引起严重的环境污染问题，发展可再生清洁能源已成为当前新能源领域的研究热点。现阶段应用最广泛的可再生能源主要有太阳能、风能和潮汐能等，这些能源被广泛的用于发电以提供清洁的能源。然而这类绿色能源存在间歇性和地域分布不均匀等问题，因此，开发高效且安全可靠的电能存储设备是高效利用这类可再生能源必不可少的一环。目前最常用的电能存储设备主要包括二次电池和超级电容器。其中，超级电容又称电化学电容器，作为一种新型的储能器件，其电荷存储能力远高于常规物理电容器，充放电速度、效率和安全性优于蓄电池，且具有优异的倍率特性，超长的循环寿命以及非常宽的使用温度范围。但是，目前超级电容器的能量密度偏低，特别是在高功率、大电流工作时的能量密度会迅速衰减，在很大程度上限制了超级电容器的应用和发展。提高超级电容器能量密度可通过提高比电容(C)及窗口电压(V)来实现。其中，超级电容器的比电容主要取决于电极材料的性能，因而，可以从以下两个方面进行探索进而开发具有高能量密度的超级电容器：(1)研究开发高比电容、高导电性和高稳定性的电极材料；(2)利用不同储能机理或不同极化电位的电极材料组装成非对称型超级电容器(又称混合型超级电容器)，进一步提高超级电容器的能量密度。与过渡金属的氧化物或氢氧化物相比，碱式氧化物(又称为氢氧化氧化物，MOOH,M＝Co,Ni,Fe,等)，因其独特的结构特点，相比于其一般氧化物或氢氧化物，羟基氧化物能够快速发生氧化还原反应且具有较好的导电性，对于提高其电化学活性有着非常重要的作用。尽管碱式氧化物因其优异的性能得到了科研人员的重点关注，但目前该类物质的制备过程繁琐，合成条件苛刻，产率低，难以大量制备，极大限制了其在实际中的应用。而且对于该类材料特定结构的可控制备、性能与结构之间的关联等研究还甚少。由于材料的性能与材料的结构、形貌，尺寸大小等因素密切相关，因此，迫切需要发展一种新方法、新技术来可控合成具有高电化学活性的碱式氧化物。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种碱式氧化物(MOOH)纳米阵列的制备方法及其在超级电容器方面的应用。该纳米阵列是以泡沫金属为基底，采用两步简单易操作的化学合成方法，在泡沫金属表面上原位生长碱式氧化物纳米片阵列。通过控制反应的温度、时间、氧化剂的浓度可调控MOOH纳米阵列的量。本专利技术所述的一种碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料的制备方法为：a)将泡沫金属依次经过稀酸、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤；b)配制浓度为0.0001-1mol/L的金属盐M2+Y溶液，然后加入碱性物质，碱性物质与金属盐M2+Y的摩尔比为1:2.5-1:5；c)将步骤a)处理过的泡沫金属放入步骤b)配制好的溶液中，于60-95℃温度下恒温反应1-10小时，待溶液冷却后取出泡沫金属，用去离子水冲洗干净，烘干；d)将步骤c)所得到的泡沫金属放入浓度为0.02-0.5mol/L的氧化剂溶液中，于60-95℃温度下恒温反应1-10小时，待溶液冷却后取出，用去离子水冲洗干净，烘干，即得到碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料。所述的泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛。所述的稀酸为稀盐酸或氢氟酸。所述的M2+为Co2+、Ni2+、Fe2+中的一种或几种；所述的Y为Cl-、NO3-、F-、Br-、SO42-、CH3COO-中的一种或几种。所述的碱性物质为尿素，六次甲基四胺，三聚氰胺，甲醛中的一种或几种。所述的氧化剂为双氧水，高锰酸钾，次氯酸钠、次氯酸钾、氯酸钠、氯酸钾、氯酸铵、高氯酸钠、高氯酸铵、液溴、次溴酸钠、次溴酸钾、溴酸钾、溴酸钠、过硫酸铵中的一种或几种。本专利技术合成的碱式氧化物(MOOH)纳米阵列作为超级电容器的正极材料表现出了优异的性能，例如，所制备的CoOOH纳米片阵列超电容材料其比电容值达到了2550F/g(1.25A/g)，在10A/g的电流条件下，经过5000次充放电测试，该电极材料的比电容值仍然保持83％。此外，该碱式氧化物纳米阵列作为结构化超电容材料，避免了在使用过程中需要加入粘结剂、乙炔黑等添加剂，简化了组装工序，提升了工作效率。该材料在超电容方面具有非常好的应用前景。附图说明图1是实施例1合成的碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料的XRD图。图2是实施例2合成的碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料的拉曼图谱。图3是实施例3合成的碱式氧化镍纳米阵列超级电容器材料的扫描电镜图。图4是实施例1合成的碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料的充放电曲线。图5是实施例1合成的碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料的稳定性曲线。具体实施方式实施例1将泡沫镍依次经过0.1M的盐酸(浸泡5分钟)、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤干净后备用；在200mL反应容器中，将2.9g Co(NO3)2·6H2O溶解于100mL去离子水中，再加入1.8g尿素并使之溶解；取处理好的泡沫镍置于上述反应容器中的混合溶液中，密封容器后，于85℃下恒温反应3小时，待溶液冷却后取出泡沫镍，用去离子水冲洗干净，记作NF-1，待用；称取0.67g KBrO3溶解于100ml去离子水中，将NF-1置于刚配制的KBrO3溶液中，于70℃下恒温反应6h，待溶液冷却后取出，用去离子水冲洗干净，60℃烘干6小时即得到碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料，其XRD图如图1所示。取上述合成的碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料，制备成1*1cm的工作电极，采用辰华电化学工作站测试其充放电性能，其中，电解质为1M的KOH溶液，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。图4为该电极材料的充放电图，图5为5000次充放电稳定性测试图。由测试数据可以计算出碱式氧化钴的比电容值为2550F/g(1.25A/g)，在10A/g的电流条件下，经过5000次充放电测试，该电极材料的比电容值仍然保持83％，表现出了非常好的超电容性能。实施例2将泡沫镍依次经过0.1M的盐酸(浸泡5分钟)、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤干净后备用；在200mL反应容器中，将1.45g Co(NO3)2·6H2O溶解于100mL去离子水中，再加入0.9g尿素并使之溶解；取处理好的泡沫镍置于上述反应容器中的混合溶液中，密封容器后，于85℃下恒温反应3小时，待溶液冷却后取出泡沫镍，用去离子水冲洗干净，记作NF-2，待用；称取15ml双氧水溶解于100ml去离子水中，将NF-2置于刚配制的双氧水溶液中，于70℃下恒温反应12小时，待溶液冷却后取出，用去离子水冲洗干净，60℃烘干6小时即得到碱式氧化钴纳米阵列超级电容器材料，其拉曼图如图2所示。实施例3将泡沫镍依次经过0.1M的盐酸(浸泡5分钟)、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤干净后备用；在200mL反应容器中，将1.45g Ni(NO3)2·6H2O溶解于100mL去离子水中，再加入0.9g尿素并使之溶解；取处理好的泡沫镍置于上述反应容器中的混合溶液中，密封容器后，于8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料的制备方法，其特征在于，其具体制备步骤为：a)将泡沫金属依次经过稀酸、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤；b)配制浓度为0.0001‑1mol/L的金属盐M2+Y溶液，然后加入碱性物质，碱性物质与金属盐M2+Y的摩尔比为1:2.5‑1:5；c)将步骤a)处理过的泡沫金属放入步骤b)配制好的溶液中，于60‑95℃温度下恒温反应1‑10小时，待溶液冷却后取出泡沫金属，用去离子水冲洗干净，烘干；d)将步骤c)所得到的泡沫金属放入浓度为0.02‑0.5mol/L的氧化剂溶液中，于60‑95℃温度下恒温反应1‑10小时，待溶液冷却后取出，用去离子水冲洗干净，烘干，即得到碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料。

【技术特征摘要】
1.一种碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料的制备方法，其特征在于，其具体制备步骤为：a)将泡沫金属依次经过稀酸、乙醇、丙酮和去离子水超声洗涤；b)配制浓度为0.0001-1mol/L的金属盐M2+Y溶液，然后加入碱性物质，碱性物质与金属盐M2+Y的摩尔比为1:2.5-1:5；c)将步骤a)处理过的泡沫金属放入步骤b)配制好的溶液中，于60-95℃温度下恒温反应1-10小时，待溶液冷却后取出泡沫金属，用去离子水冲洗干净，烘干；d)将步骤c)所得到的泡沫金属放入浓度为0.02-0.5mol/L的氧化剂溶液中，于60-95℃温度下恒温反应1-10小时，待溶液冷却后取出，用去离子水冲洗干净，烘干，即得到碱式氧化物纳米阵列超级电容器材料。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷晓东，孔祥贵，张东彬，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11