一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，尤其涉及一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法。该方法首先采用混酸氧化，制得氧化碳纳米管；通过动态尿素法，以碳纳米管为基底，将含镍的水滑石良好地分散固定于碳纳米管上，得到含镍水滑石/碳纳米管电极材料；该复合材料在电流密度为1Ag

【技术实现步骤摘要】
一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法
本专利技术属于电极材料
，尤其涉及一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，可适用于超级电容器。技术背景随着科技的不断进步和发展，人们对环境保护的意识不断增强，绿色能源已成为研究热点。超级电容器是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能器件，同时具有电池的能量储存特性和电容器的功率特性，在众多领域具有广泛的应用，显现出巨大的应用价值。超级电容器内部主要由电极、电解质和隔膜构成，电极决定着超级电容器的主要性能指标，目前常用的电极材料主要有导电聚合物、碳材料、过渡金属氧化物及氢氧化物。其中，碳材料来源广泛，但是比电容较小且内阻大；金属氢氧化物比电容大，可承受大电流，但其在使用的过程中容易团聚。因此，以碳材料为框架，将金属氢氧化物与之复合，取长补短，可得到高性能的电极材料。碳纳米管是一种具有无缝中空管状结构的纳米材料，具有优良的导电性能、化学稳定性、机械性能，比表面积大，易构成三维导电网络，在超级电容器、生物、锂离子电池等领域具有广泛的应用。但由于碳纳米管材料的内阻较大，比电容较小，大大制约了在超级电容器中的广泛使用。水滑石(Layereddoublehydroxides)是由一种低价金属和高价金属离子组成的层状结构化合物，其板层结构带正电，层间有可交换的阴离子作为平衡离子，使整个结构呈电中性。水滑石板层金属离子可调变，层间阴离子具有组装性，目前已在催化、环境、医药、电池材料等方面得到广泛应用。然而，纳米水滑石材料在使用过程中，存在容易团聚的问题，导致充放电比电容衰减。若能将含镍水滑石材料和碳纳米管复合，优势互补，扬长避短，将有效解决上述问题。作为水滑石的组成部分，镍的氢氧化物理论比电容高，成本低廉，是一种理想的超级电容器材料，但其存在一些缺点：充放电过程中会发生材料体积膨胀或分化，导电性低，多次循环稳定性差。因此需要掺杂其他的活性金属材料来提高结构稳定性。将其与导电性好的碳材料复合，两种材料发挥协同作用，弥补各自缺点的同时，也能让两者的优势得到发挥。故需要掺杂其他的活性金属材料来提高结构稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服含镍水滑石电极材料的不足，提供一种掺杂高价态金属的含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法。本专利技术的一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，包括如下步骤：采用混酸对碳纳米管进行氧化，制得氧化碳纳米管。将改性后的碳纳米管充分吸附金属盐溶液后，采用动态尿素法制得含镍水滑石/碳纳米管复合物。将制得的含镍水滑石/碳纳米管复合物制成电极浆料，涂抹在泡沫镍上，制成泡沫镍电极，进行电化学性能测试。为实现本专利技术的目的，采用以下技术方案：一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备氧化碳纳米管；(2)将金属镍的可溶性盐、掺杂金属的可溶性盐和尿素溶于去离子水中，超声得到混合溶液，加入步骤(1)制得的氧化碳纳米管，将混合液室温下搅拌，使氧化碳纳米管充分吸附金属离子；加热回流，冷却至室温后，将产物离心，用去离子水反复洗涤6-8次，50-100℃下真空干燥，得到含镍水滑石/碳纳米管复合材料。优选地，步骤(1)中，制备氧化碳纳米管的方法如下：将碳纳米管溶于体积比为1：1～5：1的浓硫酸和浓硝酸的混合酸中，保持固液比为5mg/mL-30mg/mL，60-120℃下回流1-10h；反应结束后，加入去离子水稀释，然后减压抽滤去除溶液，依次用去离子水、乙醇洗涤沉淀至pH＝6-7，50-80℃下真空干燥，得到氧化后的碳纳米管。优选地，所述碳纳米管为市售的单壁、多壁碳纳米管的一种或多种。优选地，步骤(2)所述掺杂金属为三价金属，且所述掺杂金属具有三价以上可变价态。更加优选地，所述掺杂金属为三价的金属钒。优选地，在步骤(2)中，所述的金属镍的可溶性盐为金属镍的硝酸盐、硫酸盐或氯化物中的一种或多种。优选地，在步骤(2)中，所述掺杂金属的可溶性盐为掺杂金属的硝酸盐、硫酸盐或氯化物中的一种或多种。优选地，在步骤(2)中，所用的金属镍的可溶性盐、掺杂金属的可溶性盐、尿素的摩尔比为(1-4)：1：(4-20)。优选地，在步骤(2)中，保持氧化碳纳米管的浓度为0.1mg/mL-10mg/mL，所述氧化碳纳米管与镍金属盐及掺杂金属盐的总质量之比为1：(4-10)。优选地，在步骤(2)中，加热回流温度为100-150℃，时间为1-50h。优选地，在步骤(2)中，所用的离心转速为2000-8000rmp/min，离心时间为10-60min。本专利技术还提供了一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料，采用上述方法制备得到。本专利技术还提供了上述材料应用于超级电容器电极的方法，将本专利技术合成的含镍水滑石/碳纳米管复合材料、市售的乙炔黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照质量比＝8：1：1混合均匀，涂覆在泡沫镍集流体上，60℃下真空干燥，得到所述电极。金属钒属VB族，是一种单晶多价态金属，较容易与氧反应生成各种相态和形貌的氧化物，常见的有如下体系：一是+2价、+4价和+5价三个较稳定价态之间的相互转换；二是不同价态的钒与氧结合形成混合价态的VOx。由于钒为较活泼的过渡金属，能组成具有不同配体的钒氧化物，但整体还是典型的层状化合物，可以让大量的不同基团或金属离子在其间可逆穿插，这种特殊晶体结构使钒氧化物纳米材料成为理想的电极材料。钒具有灵活的变价使钒基材料表现出良好的电化学活性，因此将钒引入氢氧化镍层板制备镍钒水滑石具有意义的工作。本专利技术采用动态尿素法，在氧化后的碳纳米管表面合成掺杂有高价态金属的含镍水滑石，得到水滑石/碳纳米管复合材料，让含镍水滑石与碳纳米管充分发挥协同作用，优势互补，电极材料的比电容及循环稳定性得到显著提高，制得高性能的电极材料。本专利技术所述方法，制备条件温和，工艺简单，成本低廉，具有广泛的应用前景附图说明图1为本专利技术实例1制备的水滑石/碳纳米管复合材料的红外谱图；图2为本专利技术实例1制备的水滑石/碳纳米管复合材料XRD图；图3为本专利技术实例1制备的水滑石/碳纳米管复合材料XPS图；图4为本专利技术实例2制备的水滑石/碳纳米管复合材料的循环伏安测试结果；图5为本专利技术实例2制备的水滑石/碳纳米管复合材料的交流阻抗测试结果；图6为本专利技术实例2制备的水滑石/碳纳米管复合材料首次充放电测试结果；图7为本专利技术对比例1制备的水滑石/碳纳米管复合材料首次充放电测试结果。具体实施方式：以下用非限定性实施例对本专利技术作进一步具体详细描述，将有助于对本专利技术及其优点的理解，而不作为对本专利技术的限定，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例1(1)将0.5g碳纳米管溶于100mL浓硫酸和浓硝酸的混合酸中(V浓硝酸：V浓硫酸＝1：1)，60℃下回流1h。反应结束后，加入100mL的去离子水稀释，然后减压抽滤去除溶液，依次用300mL去离子水、乙醇洗涤沉淀至pH＝6，50℃下真空干燥，得到氧化碳纳米管。(2)将0.625mmol六水合氯化镍、0.625mmol氯化钒和3.125mmol尿素溶于100mL去离子水中，超声得到混合溶液。加入步骤(1)制得的氧化碳纳米管50mg，超声2h使之完全分散。将混合液于室温下搅拌8h，使氧化碳纳米管充分吸附金属离子。100℃加热回流1h，冷却至室温后，将产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备氧化碳纳米管；(2)将金属镍的可溶性盐、掺杂金属的可溶性盐和尿素溶于去离子水中，超声得到混合溶液，加入步骤(1)制得的氧化碳纳米管，将混合液室温下搅拌，使氧化碳纳米管充分吸附金属离子；加热回流，冷却至室温后，将产物离心，用去离子水反复洗涤6‑8次，50‑100℃下真空干燥，得到含镍水滑石/碳纳米管复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备氧化碳纳米管；(2)将金属镍的可溶性盐、掺杂金属的可溶性盐和尿素溶于去离子水中，超声得到混合溶液，加入步骤(1)制得的氧化碳纳米管，将混合液室温下搅拌，使氧化碳纳米管充分吸附金属离子；加热回流，冷却至室温后，将产物离心，用去离子水反复洗涤6-8次，50-100℃下真空干燥，得到含镍水滑石/碳纳米管复合材料。2.根据权利要求1所述的一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备氧化碳纳米管的方法如下：将碳纳米管溶于体积比为1：1～5：1的浓硫酸和浓硝酸的混合酸中，保持固液比为5mg/mL-30mg/mL，60-120℃下回流1-10h；反应结束后，加入去离子水稀释，然后减压抽滤去除溶液，依次用去离子水、乙醇洗涤沉淀至pH＝6-7，50-80℃下真空干燥，得到氧化后的碳纳米管。3.根据权利要求1所述的一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述掺杂金属为三价金属，且所述掺杂金属具有三价以上可变价态。4.根据权利要求1所述的一种含镍水滑石/碳纳米管电极材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂金属为三价的金属钒。5.根据权利要求1所述的一种含镍水滑石/碳纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴海，张婕妤，陈良哲，黎厚斌，蔡少勇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42