四氧化三钴多孔纳米线阵列的超级电容器电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四氧化三钴纳米线阵列的超级电容器用电极材料，所述的超级电容器电极材料是由水热法直接生长于导电基底上的四氧化三钴纳米线阵列构成，本发明专利技术所提供的赝电容电极材料的制备方法，首先采用调控络合剂的用量控制产物形貌，同时，通过选择络合剂的种类实现了在光滑的导电基底上自主装生长的过程，该制备过程操作简便，产物形貌规整，由于电极材料直接生长在导电基底上，免去了导电剂和粘合剂的加入，使电极的阻抗大大降低，阵列结构电极材料增加了与导电基底的接触作用，使电子传输加快，增大了电极的比容量。

【技术实现步骤摘要】
四氧化三钴多孔纳米线阵列的超级电容器电极材料及其制备方法
本专利技术属于超级电容器器件
，具体涉及四氧化三钴多孔纳米线阵列的超级电容器电极材料及其制备方法。
技术介绍
随着世界能源危机的到来，生产和制造性能卓越的供电设备(例如超级电容器、锂离子电池等)变得越来越重要。过渡金属氧化物因其多样的价电子结构，丰富的物理和化学性质，以及在光电、催化、磁性以及超级电容器等领域的应用成为当今研究的热点。电极材料的电化学活性直接决定器件的电容性能，因此，活性电极材料的开发便成为ECs研究和应用的重点。通常，用于ECs的电极材料包括炭材料、金属氧化物和导电聚合物三大类。炭材料电极通过电解液与电极的界面处形成的双电层存储能量(双电层电容)；金属氧化物及导电聚合物材料电极则通过快速可逆的氧化还原反应获得法拉第电容(赝电容)，此法拉第电容一般远大于炭材料获得的双电层电容。作为ECs电极材料使用的贵金属氧化物(如RuO2)具有非常优良的电化学电容性质，但昂贵的价格和剧毒性大大制约其作为电化学电容器电极材料的应用和商品化，研究者尝试通过不同方法制备氧化钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化锡(SnO2)和氧化锰(MnOx)等贱金属氧化物，作为贵金属氧化物的替代品，电极的比容量、充放电效率和长循环寿命显著提高。一维（1D）结构纳米材料由于金属氧化物在气敏，电致变色、发光、场发射、超级电容器、纳米电子学等领域具有独特的功能引起了材料工作者以及电化学工作者的广泛兴趣。此种材料的宽度和厚度在1-100nm范围内，但长度可以达到几微米甚至更长，微米尺度为1D纳米材料在宏观测试方面提供可能，同时，更有利于小尺寸粒子的组装合成，并在电化学的终端测试，体现出特有的优越性。近年来，各种方法用于控制合成具有良好形貌和功能可调的四氧化三钴纳米线阵列，采用在导电基底表面原位生长金属氧化物电极材料，可有效提高活性物质利用率高、增大活性表面、提高材料的扩散传质性能。一方面，与基底材料保持紧密接触的纳米结构阵列可为电子的快速传递提供有效的通道；传导电子可以从反应活性位沿着该通道迅速地转移至集电极上，而不会像粉体材料那样，电子在无序的纳米晶颗粒间任意地穿行。另一方面，原位生长免去了添加剂材料的使用，省去了对电极的压制工序。此工艺简便易行，绿色环保，有望成为在储能领域具有广泛的应用价值。
技术实现思路
本专利技术将导电集流体原位生长的四氧化三钴多孔化纳米线阵列应用于超级电容器电极材料，提供一种制备方法简单且具有较高比容量和较好稳定性的赝电容电极材料。为解决上述技术问题，本专利技术采取如下技术方案：一种基于四氧化三钴多孔化纳米线阵列的超级电容器用电极材料，所述的超级电容器的电极体系包括导电集流体，电极活性材料层、电解液和隔膜，导电基底为导电玻璃（FTO），镍片和泡沫镍网。所述的纳米线阵列结构长度为5μm-20μm的纳米线，其中5-10根纳米线的末端相结合的类“神经元”结构。本专利技术的超级电容器用四氧化三钴的制备方法，采用水热法在导电基底上原位生长四氧化三钴纳米线阵列，作为超级电容器的阴极，具体包括如下步骤：（1）将钴盐、络合剂和碱性沉淀剂在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，并将洗涤后的导电基底置于溶液中，水热反应温度为100℃~140℃，时间为3~10h。反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体；（2）将四氧化三钴前躯体在空气气氛中进行热处理，热处理的温度为200℃~600℃，即得到所述的基于四氧化三钴纳米线阵列的超级电容器电极材料。四氧化三钴的形貌以及在导电基底上的稳定性不仅与制备方法有关，还与络合剂的种类密切相关，已有研究发现，采用氯化铵代替氟化铵后，经相同条件的水热反应，所得的活性物质薄膜不稳定且易碎。本专利技术所述的步骤（1）中的钴盐为硝酸钴或醋酸钴，络合剂为氟化铵，碱性沉淀剂为尿素，摩尔比为1:(2-4):5，其中氟化铵的作用是促进晶种在导电玻璃表面成膜，以及利用所形成HF的腐蚀作用，使基底表面粗糙，有助于晶体成核。水热法制备四氧化三钴过程中，为了得到形貌规整，结合牢固的阵列结构，导电基底的放置位置及方法有较大的影响，将导电基底的导电面向下置于反应釜中，且与底部的内角呈45°~75°。附图说明图1是实施例1中所制备的四氧化三钴的低倍扫描电镜照片。图2是实施例1中所制备的四氧化三钴的高倍扫描电镜照片。图3是实施例1中所制备的四氧化三钴电极的循环伏安曲线。图4是实施例1中所制备的四氧化三钴电极的充放电曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案及效果作进一步描述。但是，所使用的具体方法、配方和说明并不是对本专利技术的限制。实施例1：将2.5mmol硝酸钴、5mmol氟化铵和12.5mmol尿素在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，120℃反应5h，并将洗涤后的导电基底泡沫镍置于溶液中，反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体，将四氧化三钴前躯体在空气气氛中350℃热处理1.5h，得到四氧化三钴纳米线阵列。实施例2：将2.5mmol硝酸钴、5mmol氟化铵和12.5mmol尿素在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，120℃反应5h，并将洗涤后的导电玻璃（FTO）置于溶液中，反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体，将四氧化三钴前躯体在空气气氛中350℃热处理1.5h，得到四氧化三钴纳米线阵列。实施例3：将2.5mmol硝酸钴、5mmol氟化铵和12.5mmol尿素在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，120℃反应5h，并将洗涤后的导电基底纯镍片置于溶液中，反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体，将四氧化三钴前躯体在空气气氛中350℃热处理1.5h，得到四氧化三钴纳米线阵列。实施例4：将2.5mmol硝酸钴、7.5mmol氟化铵和12.5mmol尿素在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，120℃反应5h，并将洗涤后的导电基底泡沫镍置于溶液中，反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体，将四氧化三钴前躯体在空气气氛中350℃热处理1.5h，得到四氧化三钴纳米线阵列。实施例5：将2.5mmol硝酸钴、10mmol氟化铵和12.5mmol尿素在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，120℃反应5h，并将洗涤后的导电基底泡沫镍置于溶液中，反应完成后取出基底并进行水洗和真空干燥，得到四氧化三钴的先驱体，将四氧化三钴前躯体在空气气氛中350℃热处理1.5h，得到四氧化三钴纳米线阵列。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四氧化三钴纳米线阵列的超级电容器用电极材料，所述的超级电容器的电极体系包括导电集流体，电极活性材料层、电解液和隔膜，其特征在于，所述电极活性材料是直接生长在导电集流体上的多孔四氧化三钴纳米线阵列。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴纳米线阵列的超级电容器用电极材料，所述的超级电容器的电极体系包括导电集流体，电极活性材料、电解液和隔膜，其特征在于，所述电极活性材料是直接生长在导电集流体上的多孔四氧化三钴纳米线阵列，所述的导电集流体为导电玻璃，镍片或泡沫镍网，所述的四氧化三钴纳米线阵列的形貌为5-10根纳米线的末端相结合的棱锥体类“神经元”结构，其中阵列长度为5μm-20μm。2.一种四氧化三钴纳米线阵列的超级电容器用电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将钴盐、络合剂和碱性沉淀剂在蒸馏水中均匀超声混合，将该溶液移入聚四氟内衬的高压反应釜中，并将洗涤后的导电基底置于溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩丹丹，徐鹏程，丁元生，程振玉，
申请(专利权)人：吉林化工学院，
类型：发明
国别省市：吉林;22