超级电容器电极用金属氧化物复合金属氮氧化物的制备方法技术

一种超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，包括以下步骤：(1)将金属盐、尿素和氯化钠溶解于去离子水中，分散均匀，然后加入衬底材料；(2)将混合溶液加入到反应釜中放置于恒温干燥箱中反应；(3)将反应得到的产物进行抽滤，水洗和醇洗，干燥；(4)将产物在保护气体作用下升温，通入氨气继续保温，通入保护气体，自然降温，制得金属氧化物/氮氧化物复合材料。本发明专利技术在不使用任何表面活性剂或者模板的情况下，通过简单的一步煅烧法成功地得到具有氮氧层保护的金属氧化物材料，利用该种材料制备的工作电极体比容量高、循环稳定性好，功率‑能量密度优异，适合用于应用于超级电容器。

【技术实现步骤摘要】
超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法
本专利技术涉及一种用于超级电容器电极材料的金属氧化物与氮氧化物复合材料的制备方法，属于超级电容器电极材料制备

技术介绍
随着世界经济的快速发展，人类对于能源的需求越来越大，以煤、石油、天然气为代表的化石能源被大量消耗，带来了严重的环境问题，这使人们的工作和生活受到严重影响。研究开发绿色新能源以及新型储能材料实现人类社会的可持续发展具有重大的战略意义。超级电容器是一种基于电极/溶液界面电化学过程的新型储能装置，它具有功率密度高、充放电时间短、使用寿命长、使用温度范围宽、绿色环保和安全等优点，可广泛应用于动力电源系统、智能电网系统、工业节能系统、电源系统以及诸多电子设备上。因此，超级电容器被看作是继二次锂离子电池之后，在电化学能量存储系统中极具发展潜力的储能装置。超级电容器的性能与其所用的电极材料密切相关。金属氧化物如钴、镍、铌、锰和钒的氧化物，因具有高比电容量(理论容量＞1000F/g)、易于制备、价格低廉等优点，已成为国内外超级电容器领域的研究热点。虽然在理论和实践方面均取得了一定的进展，但金属氧化物的电化学性能仍有待进一步的提高，其在超级电容器应用中面临的最严峻问题是在储能过程中发生的氧化还原反应会使材料本身的体积发生巨大变化，造成材料结构破裂甚至是粉碎致使电导率降低(～10-5Scm-1)，进而导致其容量衰减快、循环稳定性差。近年来研究者们主要是通过设计材料的结构、掺杂其他离子或是与高导电性材料复合，以期达到提升电化学性能的目的。虽然利用碳骨架材料可以在材料内部提供电子和离子通道，复合材料的电导率和循环稳定性等性能得到了明显的提高，但是复合材料在充放电过程中，氧化物的外部依然会发生体积膨胀而影响其性能，所以消除材料的外部膨胀是提高材料电化学性能的有效途径。金属氮化物以其优异的电导率(105Scm-1)和良好的机械稳定性等性能，作为能量储存器件的潜在应用材料已经引起了相当大的关注，然而氮化钛和氮化钒等氮化物在水系电解液中容易发生不可逆氧化还原，严重影响了其循环稳定性等电化学性能。而氮氧化层具有优异的化学稳定性和结构稳定性，能够在各种电解液中稳定存在，并且具备优良的离子电导率，作为电极材料应用在超级电容器方面具有超高的功率密度，但由于其比表面积较小等因素，导致其电容量较低，利用材料的协同作用有效其能量密度和功率密度。
技术实现思路
本专利技术针对现有超级电容器材料存在的不足，提供一种简单方便的超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法。本专利技术的超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，包括以下步骤：(1)金属盐、尿素和氯化钠按摩尔比150～50：300～50：100～0的比例完全溶解于去离子水中，分散均匀，然后加入衬底材料，形成混合溶液；(2)将步骤(1)所制得的混合溶液加入到反应釜中放置于恒温干燥箱中反应；(3)将步骤(2)中反应结束后得到的产物进行抽滤后，分别水洗和醇洗，再真空干燥；(4)将步骤(3)制得的产物在保护气体作用下升温到300℃～800℃，通入氨气继续保温0.5～3小时后，通入保护气体，自然降温，制得金属氧化物/氮氧化物复合材料。所述步骤(1)中的金属盐是金属的二价或者三价盐化合物中的任何一种。所述金属为过渡金属(如钴、镍、铌、锰和钒等)。所述步骤(1)中的衬底材料为处理过的碳纤维布或者处理过的泡沫镍。所述碳纤维布的处理方式为在空气氛围中40mW～80mW功率的等离子处理10-15分钟。所述泡沫镍的处理方式是分别在去离子水、丙酮和乙醇的溶液中超声2次，每次超声时间为10～30分钟。所述步骤(1)中的分散是超声分散5～10分钟。所述步骤(2)中的反应温度为80～200℃，反应时间为1～24小时。所述步骤(2)中的反应温度的升温速率为1～10℃/分钟。所述步骤(3)中的真空干燥是指温度为40℃～80℃，真空环境为相对压力在-0.1MPa至-0.001Mpa的真空条件。所述步骤(4)中的保护气体为氮气或氩气等气体。所述步骤(4)中的升温速率为2℃/分钟～10℃/分钟。本专利技术在不使用任何表面活性剂或者模板的情况下，通过简单的一步煅烧法成功地得到金属氧化物/金属氮氧化物材料(氮氧层保护的金属氧化物材料)，利用该种材料制备的工作电极比容量高、循环稳定性好，功率-能量密度优异，适合用于应用于超级电容器。附图说明图1为实施例1制备的Co3O4/CoON电极材料的扫描电镜图。图2为实施例1制备的Co3O4/CoON材料的元素成分分析图。图3为实施例1制备的Co3O4/CoON材料的元素分布图。图4为实施例8制备的NiO/NiON电极材料的扫描电镜图。图5为实施例15制备的Nb2O5/NbON电极材料的扫描电镜图。图6为实施例22制备的MnO2/MnON电极材料的扫描电镜图。图7为实施例28制备的VO2/VON电极材料的扫描电镜图。图8为实施例1制备的Co3O4/CoON电极材料的循环伏安电图。图9为实施例1制备的Co3O4/CoON电极材料的充放电示意图。图10为实施例8制备的NiO/NiON电极材料的循环伏安电图。图11为实施例8制备的NiO/NiON电极材料的充放电图。图12为实施例15制备的Nb2O5/NbON电极材料的循环伏安电图。图13为实施例15制备的Nb2O5/NbON电极材料的充放电图。具体实施方式以下实施例中涉及到的处理过的碳纤维布是指碳纤维布在空气氛围中40mW～80mW功率的等离子处理10-15分钟；处理过的泡沫镍是指泡沫镍分别在去离子水、丙酮和乙醇的溶液中超声2次，每次超声时间为10～30分钟。实施例1将0.68g硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、0.70g尿素和0.233g氯化钠溶解在40ml去离子水中,(三者摩尔比例为：60:300:100)，超声分散5～10分钟。所得混合物中加入处理过的碳纤维布(2×2.5cm)，在80℃的恒温干燥箱(升温速率5℃/分钟)中保持8小时。将上述合成的前驱物抽滤后水洗和醇洗各3遍，放在40℃的真空干燥箱中在相对压力-0.1MPa的真空下干燥24小时。取出样品在氮气氛的管式炉中以2℃/分钟的升温速率加热到350℃，然后在此温度氨气氮化1.5小时，自然降温，制得Co3O4/CoON。本实施例制备的Co3O4/CoON的扫描电镜图片如图1所示，元素含量图如图2所示，元素分布图如图3所示。实施例2如实施例1所述，不同之处在于以六水合氯化钴替代步骤(1)中的硝酸钴，且六水合氯化钴的质量0.58g，尿素的质量0.7g，氯化钠的质量0.233g(三者摩尔比例为：60:300:100)。实施例3如实施例1所述，不同之处在于将碳纤维布换为泡沫镍。实施例4如实施例1所述，不同之处在于恒温箱中温度设置为80℃，保持8小时。实施例5如实施例1所述，不同之处在于恒温箱中温度设置为120℃，保持4小时。实施例6如实施例1所述，不同之处在于氨气氮化温度为300℃，时间为2小时。实施例7如实施例1所述，不同之处在于氨气氮化温度为500℃，时间为1小时。实施例8将1.2g硝酸镍，0.6g尿素和0.1g氯化钠溶解在40ml去离子水中(三者摩尔比例为：100:250:42)，超声分散5～10分钟。所得混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，其特征是，包括以下步骤：(1)将金属盐、尿素和氯化钠按摩尔比150～50：300～50：100～0的比例完全溶解于去离子水中，分散均匀，然后加入衬底材料，形成混合溶液；(2)将步骤(1)所制得的混合溶液加入到反应釜中放置于恒温干燥箱中反应；(3)将步骤(2)中反应结束后得到的产物进行抽滤，分别水洗和醇洗，再真空干燥；(4)将步骤(3)制得的产物在保护气体作用下升温到300℃～800℃，通入氨气继续保温0.5～3小时后，通入保护气体，自然降温，制得金属氧化物/氮氧化物复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，其特征是，包括以下步骤：(1)将金属盐、尿素和氯化钠按摩尔比150～50：300～50：100～0的比例完全溶解于去离子水中，分散均匀，然后加入衬底材料，形成混合溶液；(2)将步骤(1)所制得的混合溶液加入到反应釜中放置于恒温干燥箱中反应；(3)将步骤(2)中反应结束后得到的产物进行抽滤，分别水洗和醇洗，再真空干燥；(4)将步骤(3)制得的产物在保护气体作用下升温到300℃～800℃，通入氨气继续保温0.5～3小时后，通入保护气体，自然降温，制得金属氧化物/氮氧化物复合材料。2.根据权利要求1所述的超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中的金属盐是金属的二价或者三价盐化合物中的任何一种。3.根据权利要求1或2所述的超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，其特征是，所述金属为过渡金属。4.根据权利要求1所述的超级电容器电极用金属氧化物复合氮氧化物的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中的衬底材料为处理过的碳纤维布或者处理过的泡沫镍。5.根据权利要求4所述的超级电容器电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝霄鹏，王守志，吴拥中，邵永亮，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37