用于超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构及其制备方法技术

技术编号:21896196 阅读:57 留言:0更新日期:2019-08-17 16:13
本发明专利技术提供了一种用于高性能超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构及其制备方法,采用简易的一步水热法,以HTM作为反应剂,以CTAB作为引导剂,使得材料进行自组装形成树莓状的以Mn3O4为内层结构和NiO、CoO粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于最终材料表面的分层异质结构,其中,Mn3O4、NiO、CoO和单质Ni的摩尔比为1:5:3:1。本发明专利技术无需复杂的制备方法和贵重的反应装置,方法简单易行,制备得到的材料分布均一,无杂相,具有较高的电化学性能,降低了生产成本,扩展了复合材料的制备方法。

Raspberry-like Ni/NiO/CoO/Mn3O4 layered heterostructures for supercapacitors and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
用于超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构及其制备方法
本专利技术涉及一种超级电容器
的电极材料。
技术介绍
电极材料是决定超级电容器电性能好坏的关键因素。在各类电极材料中,混合过渡金属基氧化物展示了良好的结构可设计性,在电化学反应过程中能够提供丰富的氧化还原反应位点,有效的促进电解液粒子的进入和接触,从而提高了电化学性能。然而目前在混合过渡金属基氧化物的研究上仍然存在着较大的问题,例如制备工艺复杂、不同组分之间的协同作用不能得到有效的发挥、倍率性能低和导电性较差。很多研究人员通过设计混合过渡金属基氧化物的组分和结构来解决以上问题,然而最终对电极材料的电化学性能的改善却并不明显。如文献“JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2019,30,5222-5232”采用两步水热法制备了MnO2/NiO复合材料,经过电化学性能测试,在电流密度为0.5Ag-1时,MnO2/NiO电极展示的比容量为247Fg-1。文献中MnO2/NiO复合材料在作为电极材料应用到超级电容器中时由于自身团聚严重,导致材料本身无法与电解液离子充分接触,氧化还原反应活性位点少,最终导致了材料的电化学性能差。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足,本专利技术提供一种树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构,具有较高的电化学性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一种树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构,自组装形成树莓状的以Mn3O4为内层结构,NiO、CoO粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于材料表面的分层异质结构,其中,Mn3O4、NiO、CoO和单质Ni的摩尔比为1:5:3:1。本专利技术还提供上述树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构的制备方法,包括以下步骤:(1)将Ni(CH3COO)2和Co(CH3COO)2以2~10:1的摩尔比加入到去离子水和乙二醇的混合溶液中,去离子水和乙二醇的摩尔比为2:1,搅拌溶解后,Ni(CH3COO)2的摩尔浓度为0.03~0.16mol/L;再加入Mn(CH3COO)2,Mn(CH3COO)2的摩尔浓度为2~20mol/L,继续搅拌后加入HTM和CTAB,常温下搅拌至完全溶解;(2)将步骤(1)所得溶液以3℃/min的升温速率升温至120℃,反应6~48h后自然冷却至室温;(3)将步骤(2)所得产物中的固体用去离子水和无水乙醇洗涤若干次,将洗涤后的产物置于60~80℃真空干燥箱中干燥至恒重,研磨得到固体粉末;(4)将步骤(3)所得固体粉末在氩气环境下以3℃/min升温速率升温至450℃,反应2h后自然冷却至室温,制得Ni/NiO/CoO/Mn3O4。所述的Ni/NiO/CoO/Mn3O4采用涂布法制备电极,利用1-甲基-2-吡咯烷酮作为混合剂将Ni/NiO/CoO/Mn3O4粉末、PVDF、导电炭黑混合形成浆料,其中Ni/NiO/CoO/Mn3O4:PVDF:导电炭黑的比例为8:1:1。所述的涂布法制备电极以泡沫镍为导电基底,将Ni/NiO/CoO/Mn3O4粉末、PVDF、导电炭黑的混合浆料均匀涂抹至面积为1×1cm的泡沫镍上,每个电极片涂抹4~6mg,涂抹后的泡沫镍在60~80℃条件下干燥至恒重。本专利技术的有益效果是:1.本专利技术以简易的一步水热法作为制备方法,以CTAB为形貌结构引导剂,合成了形貌均一的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构,较之前报道的过渡金属基纳米材料作为超级电容器电极材料相比,无需采用复杂的复合材料制备方法和贵重的反应装置,方法简单易行,制备得到的材料分布均一,无杂相,降低了实际应用中生产成本,扩展了复合材料的制备方法。2.制备的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构由于Mn3O4处于结构内部,NiO和CoO纳米粒子处于结构外部,从而使得NiO和CoO纳米粒子的团聚现象得到有效的改善,同时外部的NiO和CoO纳米粒子对内部的Mn3O4也起到了一定保护作用,使得在材料在电化学循环的过程中具有优良的循环稳定性。单质Ni在整体结构上的附着能更加有效地提高混合过渡金属基氧化物的导电性,从而在电化学测试的过程中电解液离子进入材料内部便利,进一步提高了电解液离子与电极材料的接触率,使得电极材料的多样的氧化还原反应活性位点得到充分的发挥,故树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构具有较高的电化学性能。附图说明图1是实施案例中产物制备流程示意图;图2是各实施例中的产物Ni/NiO/CoO/Mn3O4的SEM图;图3是实施例2中的产物Ni/NiO/CoO/Mn3O4的TEM图;图4是各实施例中的产物Ni/NiO/CoO/Mn3O4的恒流充放电图和倍率性能图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明,本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术利用尿素作为络合剂,HTM(六次甲基四胺)作为反应剂,CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)作为结构引导剂,利用水热反应和烧结过程设计和制备一种树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构。该结构以Mn3O4为内层结构,以NiO和CoO纳米粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于最终的分层异质结构的表面,这样的结构能够有效的发挥NiO、CoO和Mn3O4之间的协同作用,并且单质Ni的参与能够有效的提高电极材料的导电性,导电性的提高能够有效的在电化学测试的过程中为电解液离子提供便利的通道,从而提高了电解液离子与电极材料的接触率,使得电极材料多样的氧化还原反应活性位点得到充分的发挥,故树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构具有较高的电化学性能。所述树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构的制备采用简易的一步水热法,以HTM作为反应剂和CTAB作为引导剂,使得材料进行自组装形成树莓状的以Mn3O4为内层结构和NiO、CoO粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于最终材料表面的分层异质结构,其中,Mn3O4、NiO、CoO和单质Ni的摩尔比为1:5:3:1。具体制备步骤如下:(1)将Ni(CH3COO)2和Co(CH3COO)2以摩尔比为2~10的方式加入到去离子水和乙二醇的2:1混合溶液中,搅拌10min溶解后,Ni(CH3COO)2的摩尔浓度为0.03~0.16mol/L;加入2~20mol/L的Mn(CH3COO)2,继续搅拌10min后,加入HTM和CTAB,常温下搅拌至完全溶解。(2)将步骤(1)所得溶液置于水热釜中,以3℃/min的升温速率升温至120℃,反应6-48h后自然冷却至室温。(3)将步骤(2)所得产物中的固体用去离子水和无水乙醇洗涤若干次,将洗涤后的产物置于60-80℃真空干燥箱中干燥至恒重,研磨得到固体粉末。(4)将步骤(3)所得固体粉末置于管式炉中,在氩气环境下以3℃/min升温速率升温至450℃,反应2h后自然冷却至室温,制得Ni/NiO/CoO/Mn3O4。(5)采用涂布法制备电极,利用1-甲基-2-吡咯烷酮作为混合剂将Ni/NiO/CoO/Mn3O4粉末、PVDF、导电炭黑混合形成浆料,其中Ni/NiO/CoO/Mn3O4:PVDF:导电炭黑的比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构,其特征在于:自组装形成树莓状的以Mn3O4为内层结构,NiO、CoO粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于材料表面的分层异质结构,其中,Mn3O4、NiO、CoO和单质Ni的摩尔比为1:5:3:1。

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构,其特征在于:自组装形成树莓状的以Mn3O4为内层结构,NiO、CoO粒子为外层结构,并且将单质Ni附着于材料表面的分层异质结构,其中,Mn3O4、NiO、CoO和单质Ni的摩尔比为1:5:3:1。2.一种权利要求1所述用于超级电容器的树莓状Ni/NiO/CoO/Mn3O4分层异质结构的制备方法,其特征在于包括下述步骤:(1)将Ni(CH3COO)2和Co(CH3COO)2以2~10:1的摩尔比加入到去离子水和乙二醇的混合溶液中,去离子水和乙二醇的摩尔比为2:1,搅拌溶解后,Ni(CH3COO)2的摩尔浓度为0.03~0.16mol/L;再加入Mn(CH3COO)2,Mn(CH3COO)2的摩尔浓度为2~20mol/L,继续搅拌后加入HTM和CTAB,常温下搅拌至完全溶解;(2)将步骤(1)所得溶液以3℃/min的升温速率升温至120℃,反应6~48h后自然冷却至室温;(3)将步骤(2)所得产物中的固体用去离子水和无水乙醇洗涤...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄英冯玄圣李超李岩
申请(专利权)人:西北工业大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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