一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法。制备步骤为：将金属盐M

A preparation method of layered bimetallic hydroxide nano sheet for energy storage

【技术实现步骤摘要】
一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法
本专利技术涉及一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法，属于环境材料
与绿色储能

技术介绍
能源问题一直是全球关注的焦点，由于化石燃料的日益枯竭，来自可再生能源(太阳能、风能、水能和生物质能等)的电能必将成为满足未来能量需求的关键能源。据估计，在未来的20年内可再生能源将成为世界范围内发电贡献增长率最快的能源，每年增加速率可达2.6％，其中水能和风能占可再生能源发电量的2/3。但受到季节和地域变化的影响，可再生能源输电的连续性和稳定性得不到保证，因此安全、高效的电能存储设备的开发迫在眉睫。超级电容器、锂离子电池、金属锌空气电池等是新一代储能装置的首选，其中，超级电容器的功率高于电池，能量密度高于传统电容器，是一种介于电解质电容器与电池之间的储能器件。与传统的电池和电容器相比，超级电容器具有安全、稳定、环保、高功率密度、高能量密度、快速充放电，工作温度范围宽及使用寿命长等特点，被认为是有潜力的下一代储能器件。开发高性能超级电容器，制备同时满足高能量密度和功率密度的性能，并具备长时间的循环稳定性的储能器件，成为能源开发研究所面临的核心问题。根据超级电容器储能机理不同可以分为三种类型：双电层电容器、赝电容器和混合超级电容器。其中赝电容器存储能量过程类似于电池，但是法拉第电容器在短时间内具有高电荷生成，存储能量的速率比电池快。电极材料是超级电容器最重要的组成部分，在储能方面承担重要作用。电极材料由活性材料，导电剂和粘结剂三部分组成。电极活性材料是直接影响超级电容器性能的重要指标。然而，超级电容器的实际应用受到以往电极材料性能低、成本高的限制，如比电容相对较低的碳基复合材料和价格昂贵的RuO2。因此，有必要寻找具有优良电化学性能和合理成本的电极材料。目前，金属(氢)氧化物因具有氧化还原特性通常作为赝电容材料通过与电解液中离子发生法拉第反应而进行电荷的存储和释放。法拉第反应既可以发生在电极表面也可以发生在电极内部，活性物质在足够的时间可以与电解液中的离子发生充分的反应。由于赝电容器利用的是在电极表面或表面附近发生的快速可逆的氧化还原反应进行能量的存储，这种机理产生的比容量一般在1000F/g左右，是双电层电容器容量的3-5倍，与双电层电容器相比，赝电容器可以获得更高的比容量和能量密度。因此获得越来越多的关注。但是，由于电化学反应中不同晶型间的转化，单金属水合化物的稳定性受到了极大的限制。因此，人们通过开发具有稳定结构特性的双金属对应物来提高超级电容器的稳定性。其中，层状双金属氢氧化物(LDHs)，也称作类水滑石，是一类由层间阴离子与带正电荷的层板有序排列形成的二维阴离子型化合物，具有碱性、热稳定性、阴离子的可交换性和组成与结构的可控性。该材料的通式可表达为：[M1～x2+Mx3+(OH)2]x+[An-]x/nmH2O，其中M2+(Ca2+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Mn2+等)和M3+(Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Mn3+等)分别代表二价及三价金属离子，An-代表插层阴离子，常见的有：CO32-、NO3-、SO42-、Cl-、OH-等，x代表三价金属阳离子与总的金属离子的摩尔比，m为水分子数。层状双金属氢氧化物独特的空间结构提供了巨大的比表面积来形成双电层电容，层板上的可变价金属离子又可以提供大量的电化学活性部位，从而产生较高的法拉第赝电容。目前主要的层状双金属氢氧化物制备方法包括水热合成法、共沉淀法等。水热合成法制备过程可控性强，合成产物成分均一，材料分散性好，形貌规整，但是产率低，反应时间较长，不利于大规模生产。共沉淀法操作简单，成本低，反应时间短，但是反应体系难以均匀，易发团聚现象。此外，层状双金属氢氧化物的堆叠降低了材料的比表面，导致电解液与电活性成分无法最大化接触，加之层状双金属氢氧化物材料本身导电性能差，使得活性位点的利用率较低，严重影响了材料的超级电容性能。层状双金属氢氧化物纳米片是将规则堆叠的层状双金属氢氧化物进行剥离后的产物。相比于传统层状双金属氢氧化物，层状双金属氢氧化物纳米片具有更高的比表面积，可以暴露出更多的活性位点，以此获得更大的电容性能。目前主要采用化学试剂剥离法制备层状双金属氢氧化物纳米片。化学试剂剥离法通常有两种方式：一种方式是在层状双金属氢氧化物层间插入阴离子表面活性剂，一方面增大了层间距，另一方面其内表面变得疏水，有利于溶剂分子进入到层间，当进入层间的溶剂分子能够很好的溶解表面活性剂的疏水长链时，在外力作用下进行剥离。该方式剥离过程复杂，时间长。另一种方式是未经处理的层状双金属氢氧化物直接在合适的溶剂中通过外力作用剥离，但该方式只适用于少部分层状双金属氢氧化物。但是，化学试剂剥离方式都存在剥离效率低，使用大量有毒化学试剂，不符合绿色环保的要求等劣势。所以开发一种具有低廉成本、高利用率、高效节能、绿色环保的层状双金属氢氧化物纳米片电极材料的制备方法仍是一个挑战。本专利技术首次提出在超声机械搅拌同步条件下采用共沉淀的方法一步制备层状双金属氢氧化物纳米片，与传统化学剥离方法相比较，超声和搅拌操作方便易实现，并且使材料均匀分散，降低团聚现象，有效剥离层板，防止晶核聚集变大，增大材料比表面积，有利于电解液与电活性成分接触，提高活性位点的利用率，提高导电性，以此获得优越的超级电容性能；同时共沉淀方法节约成本和时间，环境友好，易于实现商业化。
技术实现思路
本专利技术提出一种在超声机械搅拌的条件下采用共沉淀一步制备层状双金属氢氧化物纳米片的方法。该方法操作简单，调控方便，反应条件温和，使材料均匀分散，有效剥离层板，增大材料比表面积，有利于电解液与电活性成分接触，提高活性位点的利用率，提高导电性，以此获得优越的超级电容性能，同时避免了水热和化学试剂剥离，节约成本和时间，环境友好，易于大规模生产。本专利技术提出一种在超声机械搅拌的条件下采用共沉淀一步制备层状双金属氢氧化物纳米片的方法，具体实验步骤如下：(1)将金属盐M1与金属盐M2溶于超纯水中，得到混合液A，并使混合液A中金属盐M1与M2原子比为(0.1～10)：1；(2)将装有混合液A的容器置于超声波清洗机中，超声波频率为40KHz，同时对混合液A进行机械搅拌(100～1000r/min)；(3)将一定比例(1～5:1)的氢氧化钠与碳酸钠混合液逐滴键入到混合液A中，缓慢调节pH至8～10，搅拌转速随着pH的上升逐渐增大(500～1500r/min)，待pH稳定在8～10时，继续在40～100KHz的超声波的条件下搅拌一定时间(1～5h)；(4)将步骤(3)得到的悬浊液经离心分离后，在一定温度(60～80℃)下真空干燥一段时间(6～12h)，研磨，制得层状双金属氢氧化物纳米片；本专利技术所述金属盐M1中阳离子，是包括Ca2+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+或Mn2+等，所述金属盐M2中阳离子，是包括Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+或Mn3+等，所述金属盐M1和金属盐M2中阴离子，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法，其特征在于包括具体步骤如下：/n(1)将金属盐M

【技术特征摘要】
1.一种用做储能的层状双金属氢氧化物纳米片的制备方法，其特征在于包括具体步骤如下：
(1)将金属盐M1与金属盐M2溶于超纯水中，得到混合液A；
(2)将装有混合液A的容器置于超声波清洗机中，在一定超声波频率下超声分散，同时对混合液A进行搅拌(100～1000r/min)；
(3)将一定比例的氢氧化钠与碳酸钠混合液逐滴键入到混合液A中，缓慢调节pH，随着pH的增加逐渐增大搅拌转速(500～1500r/min)，待pH稳定在8～10时，继续在超声波的条件下搅拌一定时间(1～5h)；
(4)将步骤(3)得到的悬浊液经离心分离后，在一定温度(60～80℃)下真空干燥一段时间(6～12h)，研磨，制得层状双金属氢氧化物纳米片。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于使用超声和机械搅拌同步操作条件，一定的超声频率和一定的搅拌速度。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于用于所述金属盐M1中阳离子为Ca2+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+或Mn2+等，所述金属盐M2中阳离子为Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+或Mn3+等,并使混合液中金属盐M1与M2原子比为(0.1～10)：1，所述金属盐M1和金属盐M2中阴离子为NO3-、SO42-或Cl-等。


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【专利技术属性】
技术研发人员：严凯，陈作，张曼，仇荣亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44