一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备制造技术

一种空心NiO@N‑C纳米管复合电极材料的制备，本发明专利技术属于超级电容器技术领域，其目的主要是为了解决现存的碳基电极材料比电容不高、倍率性能低和赝电容电极材料循环稳定性差且导电性差等问题。本产品以MoO3为模板，聚吡咯作为氮掺杂的碳前驱体，连续包覆法制备了空心NiO@N‑C纳米管复合电极材料。将该电极材料作为工作电极并展示出较高的比电容、优异的倍率特性及良好的循环稳定性，同时该方法可以用来合成其他种类的空心结构复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备
本专利技术属于超级电容器
，具体涉及一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备。
技术介绍
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型的能源存储器件，近年来受到广大科研工作者的关注。由于其具有超高的比电容、功率密度高、循环寿命长、充电速度快和绿色安全等优点，近年来在电子工业、新能源等高新领域得到了广泛的应用，已成为世界各国新能源领域研究的热点之一。随着石油等资源的日渐枯竭和超级电容器应用领域的不断拓宽，开发具有实用价值且性能优异的电极材料具有极其深远的意义。根据超级电容器储能机理不同，大体可以分为双电层电容器和赝电容超级电容器两类。双电层电容器采用高比表面积的电极材料，利用电极与电解液之间形成的界面双电层来储存能量，碳材料作为典型的双电层电容器，由于其具有较高的比表面积以及可控的孔结构越来越受到各国研究者的亲睐；赝电容电容器又称法拉第准电容器，其电极材料主要为过渡金属氧化物和导电聚合物两种，其储存电荷的过程不但包括双电层电容器的存储方式，而且包括电解液中离子在电极活性物质中是通过氧化还原反应过程存储的。与传统的双电层电容器相比，赝电容电容器能够储存更多的电荷，因此具有更高的比电容。聚吡咯(PPy)作为一种常见的导电聚合物，是一种C、N五元杂环分子，用于生物、离子检测、超电容、防静电材料及光电化学电池的修饰电极、蓄电池的电极材料。由于其含有丰富的氮原子，近年来通过对聚吡咯材料进行高温碳化得到了一种多孔含氮的碳材料，杂原子掺杂能够有效地为整个体系提供赝电容同时提供离子的扩散通道，在制备碳材料超级电容器时，引入含大量杂原子的聚合物前驱体是一个很实用的方法。为此，我们亟待开发出一种形貌结构与传统碳纳米管极其类似的碳材料，使其不仅保留了高的导电性和纳米互穿网络结构，还能得到了超高的比表面积和杂原子掺杂。采用自组装过程直接制备纳米结构材料是近年来发展起来的新方法并且有望解决上述问题。过渡金属氧化物以其导电性好、热稳定性高、电子结构独特等优点，作为一种具有代表性的赝电容超级电容器材料，特别是金属镍钴氧化物，在电化学储能和催化剂中引起了广泛的研究。氧化镍(NiO)能够发生快速可逆的氧化还原应进而提供更多的能量，NiO凭借超高的理论比电容(2584F·g-1)、较低的价格和优异的化学/热稳定性，被广泛用于超级电容器电极材料。由于NiO导电性差、材料利用率低等因素，目前NiO基超级电容器与其理论比电容还有较大的差距。
技术实现思路
本专利技术属于超级电容器
，其目的主要是为了解决现存的碳基电极材料比电容不高、倍率性能低和赝电容电极材料循环稳定性差且导电性差等问题，本专利技术提供了一种制备过程安全无毒、复合材料形貌规则且导电性能良好的混合超级电容器电极材料，所设计的电极材料具有良好的循环稳定性和超高的比电容，同时材料制备过程安全无毒且成本低廉易于产业化。本专利技术所述的一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备，其特征在于一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备以形貌规则的MoO3纳米管为模板，且该模板去除方法操作简单方便，同时使用聚吡咯作为氮掺杂的碳前驱体，采用连续包覆法形成双壳层的空心纳米管；所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料采用的模板为形貌规则的MoO3纳米管；所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料以PPy为氮掺杂的碳前驱体材料，PPy通过阴离子聚合法制备；所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料采用连续生长法，通过化学浴沉积制备Ni(OH)2薄膜；所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料以NiSO4为镍源，高温煅烧制备NiO；所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料通过浸泡于NaOH溶液中去除MoO3模板；本专利技术的有益效果：与现有超级电容器电极材料相比，本专利技术所合成的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料解决了目前现有碳基电极材料比电容量低、可逆性差和过渡金属氧化物电极材料循环稳定性差等问题，此外所制备的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料同时具有操作安全无毒、电化学可逆性良好、性能优异等特点。附图说明图1为验证试验(一)得到的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料与单独PPy的傅里叶红外光谱对比图；图2为验证试验(一)中得到的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的扫描电镜图。图3为验证试验(一)中得到的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的透射电镜图。图4为验证试验(二)中空心NiO@N-C纳米管复合电极材料在不同扫速条件下的循环伏安曲线(CV)；图5为验证试验(三)中合成的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料在不同电流密度下的恒电流充电放电图；图6为验证试验(四)中合成的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料与PPy空心纳米管电极材料交流阻抗对比图；图7为验证试验(四)中合成的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的循环稳定图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式为以水热法制备的纳米管状MoO3为模板，NiSO4作为镍源，聚吡咯作为氮掺杂的碳前驱体，聚吡咯通过阴离子聚合法制备。具体实施方式二：一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备方法按以下步骤进行：一、纳米管状MoO3的制备：①首先准确称取2.8g的钼酸铵溶于80mL含硝酸和去离子水(硝酸:去离子水＝1∶5)的溶液中，磁力搅拌25～30分钟，形成澄清透明溶液A；②将溶液A转移到100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，200℃水热条件反应20h，待自然冷却到室温后离心洗涤，洗涤至中性，离心机的转数设置为5000r/min～6000r/min，60℃条件下干燥48h，将烘干后的样品研磨装样，形成白色粉末A；步骤一①中所述溶液A中乙酸钴的质量与混合溶液的体积比为2.8g∶80mL；二、PPy薄膜包覆MoO3(PPy@MoO3)的制备：①准确称取0.5g的MoO3和0.415g～0.42g的对甲苯磺酸，将其溶于30mL的无水乙醇中，超声处理30min后，置于冰水浴中搅拌5～10min，形成溶液A；②随后在溶液A中滴加0.2mL的吡咯单体，0.23g～0.25g的过硫酸铵和20mL的去离子水，磁力搅拌30s～60s，形成溶液B；③将溶液B置于黑暗条件下4小时，用去离子水和乙醇各洗三遍，60℃条件下真空烘干，形成粉末A；步骤二①中所述MoO3与对甲苯磺酸的质量比为0.5g∶0.415g～0.42g；步骤二①中所述MoO3的质量与无水乙醇的体积比为0.5g∶30mL；步骤二①中所述对甲苯磺酸的质量与无水乙醇的体积比为0.415g～0.42g∶30mL；步骤二②中所述的吡咯单体与溶液B的体积比为0.2∶50；三、Ni(OH)2包覆PPy空心纳米管(Ni(OH)2@PPy)的制备：①将上述制备的PPy@MoO3浸泡在2mol/L的NaOH溶液中取60mL，85℃反应12小时，离心水洗，离心机转数设置为5000r/min～6000r/min，60℃条件下干燥12h，形成粉末A；②准确称取1g的NiSO4固体，溶于10mL的去离子水中，形成溶液A，0.33g过硫酸钾和0.5g粉末A溶于6mL去离子水形成溶液B；③将溶液A加入到溶液B中，搅拌5～8min，加入2mL的氨水形成溶液C，离心水洗多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空心NiO@N‑C纳米管复合电极材料的制备，其特征在于一种空心NiO@N‑C纳米管复合电极材料的制备以形貌规则的MoO3纳米管为模板，且该模板去除方法操作简单方便，同时使用聚吡咯作为氮掺杂的碳前驱体，采用连续包覆法形成双壳层的空心纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备，其特征在于一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备以形貌规则的MoO3纳米管为模板，且该模板去除方法操作简单方便，同时使用聚吡咯作为氮掺杂的碳前驱体，采用连续包覆法形成双壳层的空心纳米管。2.根据权利要求1所述的，其特征在于一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备，所述的模板为形貌规则的MoO3纳米管。3.根据权利要求1所述的，其特征在于一种空心NiO@N-C纳米管复合电极材料的制备，所述的空心NiO@N-C纳米管复合电极材料以PPy为氮掺杂的碳前驱体材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭立超，张璐璐，马慧媛，宋秀梅，郭东轩，褚大卫，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23