一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，通过一步水热反应在预先洗涤处理的泡沫镍集流体表面沉积铝掺杂碱式氟化钴活性层，该活性材料呈现超薄纳米片阵列结构，能提供快速电子、离子扩散传输通道，材料中F

A Fabrication Method of Aluminum Doped Ultrathin Cobalt Fluoride Nanosheet Array Electrode

【技术实现步骤摘要】
一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法
本专利技术属于超级电容器电极的制作
，具体涉及一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法。
技术介绍
超级电容器是一类安全高效的能量储存和管理器件，具有优越的功率密度、充放电倍率、循环寿命及良好的操作安全性，在不间断电源、插电或混合动力汽车、电磁脉冲设施以及便携电子产品方面有广泛的应用前景。超级电容器的能量储存方式主要包括双电层电容和法拉第电容两种方式，前者主要通过电解质离子在多孔电极表面的物理吸附储存电荷，由于电解质离子之间的静电斥力，其比容较低。法拉第电容主要通过电极材料的氧化还原反应储存电荷，其储能机理与电池类似，具有更高比容和能量密度。电极材料是超级电容器电荷储存和传输的主体，其比表面积、电子离子扩散传输通道及法拉第活性直接决定相应超级电容器的储能性能。过渡金属元素具有多种氧化值，可以通过不同氧化值物种之间的多电子氧化还原反应提供较高比容，因此，人们设计合成出各种不同法拉第活性和不同结构的过渡金属化合物电极材料，用以提高超级电容器比容及能量密度。改善电极法拉第活性的传统思路主要包括法拉第活性元素氧化值的调节、不同法拉第活性材料的复合以及表面缺陷的引入等途径。异质元素掺杂是一类提高电极材料法拉第活性的全新方法，可以通过异质元素的引入调节电极材料结构、表面极性及氧化值，从而有效提高电容性能。F元素具有较高电负性和电子亲和能，将其掺入法拉第活性材料晶格当中能有效调节相邻金属元素的氧化值、材料晶相及表面极性，从而显著提高电极法拉第活性。Al3+离子具有较高离子势（较高电荷及较小离子半径），不仅能调节法拉第活性过渡金属元素的氧化值，而且能与过渡金属形成层状双金属氢氧化物，提高电极法拉第活性并构建高效电子、离子传输通道，获得更高电容性能。由此可见，通过F-和Al3+对法拉第过渡金属化合物进行双掺杂，有望通过调控法拉第活性和结构特性双重途径提高法拉第材料电容性能，制作出较高比容和能量密度的超级电容器。基于上述设计思路，本专利技术采用F-和Al3+调节Co前驱体的水解和组装，在泡沫镍集流体表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列状活性层，通过两种异质元素离子调控活性层的晶相、表面亲水性及电子、离子传输通道，制作出高性能法拉第电极，用于超级电容器电极展示出良好电容性能。本专利技术所述的电极制作工艺简便实用，设计新颖，法拉第电容性能优越，可为高性能超级电容器电极的设计提供新的思路。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，该方法经过F-和Al3+双掺杂调控电极活性材料晶相、形貌以及法拉第活性，一步水热法便可制作出不含粘结剂的超级电容器电极。所制作的Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列状电极是在固定钴盐和铝盐前驱体总用量的情况下，通过调控两者的比例、氟化铵的用量、反应的温度以及时间，优化所制作电极的电容性能，获得了较高比容和良好的循环稳定性。本专利技术为解决上述技术问题采取如下技术方案，一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体过程为：步骤S1：泡沫镍集流体的清洗处理将泡沫镍裁切成边长为2cm的正方形小片，再将裁切后的泡沫镍放置在1molL-1的盐酸溶液中浸泡处理1h，去除泡沫镍表面的氧化物杂质，然后依次用去离子水和丙酮清洗得到泡沫镍集流体备用；步骤S2：Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列电极的制作将可溶性钴盐和可溶性铝盐用去离子水溶解，再加入尿素和氟化铵或六亚甲基四铵和氟化铵，然后将得到的混合溶液转移至水热反应釜中，再将清洗处理的泡沫镍集流体置入反应溶液中，密封反应釜，于80~120℃水热反应2~12h，在泡沫镍表面均匀沉积浅紫色活性层，然后经过去离子水超声清洗去除未能牢固沉积的部分，再放入烘箱中于60℃干燥12h得到表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列活性层的泡沫镍电极；所述Al-Co(OH)F活性层呈薄片状整齐垂直排列在泡沫镍集流体表面，具有较高的电化学活性面积，其垂直片层和孔道能够满足电解质离子及电子快速传输，同时F-和Al3+的掺入引起Co氧化值的升高，使法拉第活性Co元素发生更充分、快速氧化还原反应，从而有效提高电极的法拉第电容性能。优选的，步骤S2中所述可溶性钴盐为硝酸钴、氯化钴、硫酸钴或醋酸钴。优选的，所述S2中所述可溶性铝盐为硝酸铝、氯化铝或硫酸铝。优选的，步骤S2中所述可溶性钴盐和可溶性铝盐的总摩尔量为2mmol、尿素或六亚甲基四铵的摩尔量为1~15mmol，氟化铵的摩尔量为2~15mmol。优选的，所述铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体步骤为：将1mmol醋酸钴和1mmol硝酸铝溶解于80mL去离子水中，加入10mmol尿素和8mmol氟化铵，充分搅拌溶解形成反应溶液，将该反应溶液转移至100mL反应釜中，把预先洗涤处理的边长为2cm正方形泡沫镍集流体浸泡在反应溶液中，密封反应釜后于80℃水热反应5h，冷却、超声洗涤、干燥，在泡沫镍表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片状活性层，将该电极作为工作电极，氧化汞和铂片电极分别作为参比电极和辅助电极，浸没在1molL-1的KOH电解质中测试其法拉第电容性能，该电极在1Ag-1电流密度下的比容为318Fg-1，经5000次充放电之后初始比容保持率为47%。优选的，所述铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体步骤为：将1.8mmol硝酸钴和0.2mmol硝酸铝溶解于80mL去离子水中，加入10mmol尿素和8mmol氟化铵，充分搅拌溶解形成反应溶液，将该反应溶液转移至100mL反应釜中，把预先洗涤处理的边长为2cm正方形泡沫镍集流体浸泡在反应溶液中，密封反应釜后于90℃条件下水热反应2h，冷却、超声洗涤、干燥，在泡沫镍表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列状活性层，将该电极作为工作电极，氧化汞和铂片电极分别作为参比电极和辅助电极，浸没在2molL-1的KOH电解质中测试其法拉第电容性能，该电极在5Ag-1电流密度下的比容为1230Fg-1，1~20Ag-1范围内的比容维持率为53%，经5000次循环充放电之后初始比容保持率为84%。优选的，所述铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体步骤为：将1.8mmol氯化钴和0.2mmol硝酸铝溶解于80mL去离子水中，加入15mmol六亚甲基四铵和4mmol氟化铵，充分搅拌溶解形成反应溶液，将该反应溶液转移到100mL反应釜中，把预先洗涤处理的边长为2cm正方形泡沫镍集流体浸泡在反应溶液中，密封反应釜后于90℃条件下水热反应3h，冷却、超声洗涤、干燥，在泡沫镍表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列状活性层，将该电极作为工作电极，氧化汞和铂片电极分别作为参比电极和辅助电极，浸泡在2molL-1的KOH电解质中测试其法拉第电容性能，该电极在1Ag-1电流密度下的比容为1140Fg-1，经5000次循环充放电之后初始比容保持率为92%。优选的，所述铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体步骤为：将1.8mmol硝酸钴和0.2mmol硝酸铝溶解于80mL去离子水中，加入8mmol尿素和15mmo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体过程为：步骤S1：泡沫镍集流体的清洗处理将泡沫镍裁切成边长为2 cm的正方形小片，再将裁切后的泡沫镍放置在1 mol L

【技术特征摘要】
1.一种铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体过程为：步骤S1：泡沫镍集流体的清洗处理将泡沫镍裁切成边长为2cm的正方形小片，再将裁切后的泡沫镍放置在1molL-1的盐酸溶液中浸泡处理1h，去除泡沫镍表面的氧化物杂质，然后依次用去离子水和丙酮清洗得到泡沫镍集流体备用；步骤S2：Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列电极的制作将可溶性钴盐和可溶性铝盐用去离子水溶解，再加入尿素和氟化铵或六亚甲基四铵和氟化铵，然后将得到的混合溶液转移至水热反应釜中，再将清洗处理的泡沫镍集流体置入反应溶液中，密封反应釜，于80~120℃水热反应2~12h，在泡沫镍表面均匀沉积浅紫色活性层，然后经过去离子水超声清洗去除未能牢固沉积的部分，再放入烘箱中于60℃干燥12h得到表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片阵列活性层的泡沫镍电极；所述Al-Co(OH)F活性层呈薄片状整齐垂直排列在泡沫镍集流体表面，具有较高的电化学活性面积，其垂直片层和孔道能够满足电解质离子及电子快速传输，同时F-和Al3+的掺入引起Co氧化值的升高，使法拉第活性Co元素发生更充分、快速氧化还原反应，从而有效提高电极的法拉第电容性能。2.根据权利要求1所述的铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于：步骤S2中所述可溶性钴盐为硝酸钴、氯化钴、硫酸钴或醋酸钴。3.根据权利要求1所述的铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于：所述S2中所述可溶性铝盐为硝酸铝、氯化铝或硫酸铝。4.根据权利要求1所述的铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于：步骤S2中所述可溶性钴盐和可溶性铝盐的总摩尔量为2mmol、尿素或六亚甲基四铵的摩尔量为1~15mmol，氟化铵的摩尔量为2~15mmol。5.根据权利要求1所述的铝掺杂碱式氟化钴超薄纳米片阵列电极的制作方法，其特征在于具体步骤为：将1mmol醋酸钴和1mmol硝酸铝溶解于80mL去离子水中，加入10mmol尿素和8mmol氟化铵，充分搅拌溶解形成反应溶液，将该反应溶液转移至100mL反应釜中，把预先洗涤处理的边长为2cm正方形泡沫镍集流体浸泡在反应溶液中，密封反应釜后于80℃水热反应5h，冷却、超声洗涤、干燥，在泡沫镍表面沉积Al-Co(OH)F超薄纳米片状活性层，将该电极作为工作电极，氧化汞和铂片电极分别作为参比电极和辅助电极，浸没在1molL-1的KOH电解质中测试其法拉第电容性能，该电极在1Ag-1电流密度下的比容为318Fg-1，经5000次充放电之后初...

【专利技术属性】
技术研发人员：常玖利，臧仕琦，高志永，郭玉明，王一凡，武大鹏，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41