一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器，该超级电容器电极材料的制备方法包括在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列，而后将其浸入第一碱性溶液中进行溶解刻蚀，制得氧化锌纳米管阵列；然后清洗去除氧化锌纳米管阵列上的第一碱性溶液；将处理后的氧化锌纳米管阵列浸入过渡金属盐溶液中，使其吸附上过渡金属离子；再将氧化锌纳米管阵列转移至第二碱性溶液中，使其上吸附的过渡金属离子与第二碱性溶液反应合成过渡金属氢氧化物，以使氧化锌纳米管阵列负载上过渡金属氢氧化物。该制备方法操作简单，安全可靠，生产成本低，适用于大规模生产；制得的超级电容器电极材料比表面积大、活性位点丰富，电化学性能优异。异。

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器


[0001]本专利技术涉及超级电容器
，尤其是涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器。

技术介绍

[0002]超级电容器又称超大容量电容器或电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件。超级电容器具有可瞬间释放特大电流，具有快速充放电、循环寿命长、无记忆效应等特点，且其比电容高于传统电容器，功率密度高于电池，是一种新的储能元件，在通讯、电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。
[0003]当前，超级电容器的电极材料主要有活性炭材料、导电聚合物和过渡金属氧化物。超级电容器的性能取决于电极材料、电镀液、制备工艺等，其中对超级电容器性能影响最大的是电极材料。超级电容器按储能机理可分为双电层电容器和赝电容器。前者的电极材料主要为高比表面积的碳材料，以电极和电镀液内界面形成的双电层存储能量；后者的电极材料为过渡金属氧化物或导电聚合物，以活性物质表面及体相所发生的快速可逆的氧化还原反应形式储存能量。其中赝电容器具有比双电层电容器更高的能量密度和功率密度，因而受到更为广泛的研究。而现有的赝电容器的电极材料一般采用磁控溅射的方法合成过渡金属氧化物，该方法需要依附高温或高压，生产成本过高，且无法大规模生产，且比表面积小，活性位点少，电极材料的电化学性能仍有待进一步提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器。
[0005]本专利技术的第一方面，提供一种超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列；
[0007]S2、将所述氧化锌纳米棒阵列浸入第一碱性溶液中进行溶解刻蚀，制得氧化锌纳米管阵列；而后进行清洗，去除所述氧化锌纳米管阵列上的所述第一碱性溶液；
[0008]S3、将步骤S2处理后的氧化锌纳米管阵列浸入过渡金属盐溶液中，使所述氧化锌纳米管阵列吸附上过渡金属离子；而后转移至第二碱性溶液中，使所述氧化锌纳米管阵列上的所述过渡金属离子与所述第二碱性溶液反应合成过渡金属氢氧化物，以使所述氧化锌纳米管阵列负载上过渡金属氢氧化物。
[0009]根据本专利技术实施例的超级电容器电极材料的制备方法，至少具有如下有益效果：该制备方法通过先在导电基材上制备氧化锌纳米管阵列，而后将氧化锌纳米管阵列浸入过渡金属盐溶液中，使氧化锌纳米管阵列吸附上过渡金属离子，再将氧化锌纳米管阵列转移至第二碱性溶液中，使其上的过渡金属离子与第二碱性溶液反应合成过渡金属氢氧化物，进而氧化锌纳米管阵列负载上过渡金属氢氧化物。其中，过渡金属氧化物的合成通过将氧
化锌纳米管阵列依次浸入过渡金属盐溶液和第二碱性溶液中反应合成，合成方法简单，无需依附高温或高压，安全可靠，生产成本低，适用于大规模生产，且过渡金属氢氧化物一般比相应的过渡金属氧化物具有更高的比表面积，具有更多的活性位点。另外，通过该方法过渡金属氢氧化物负载在导电基材上的氧化锌纳米管阵列上，可视作过渡金属氢氧化物呈纳米管阵列的形式负载在导电基材上，相比于通过常规磁控溅射方法直接在导电基材上合成过渡金属氧化物，可大大提高电极材料的比表面积和活性位点，有效提高电极材料的电化学性能。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，骤S3中，所述过渡金属盐溶液包含镍盐溶液；优选地，所述过渡金属盐溶液为包含锰盐、镍盐和钴盐的混合溶液。其中，锰盐可采用硝酸锰、硫酸锰等；镍盐可采用氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍等，钴盐可采用硝酸钴、硫酸钴、氯化钴等。
[0011]步骤S3中，具体可先将步骤S2处理后的氧化锌纳米管阵列浸入浓度为0.05～0.20M的过渡金属盐溶液中5～20min，以使氧化锌纳米管阵列吸附上过渡金属离子；而后将氧化锌纳米管阵列转移至浓度为0.05～1M的第二碱性溶液中，氧化锌纳米管阵列上的过渡金属离子与第二碱性溶液反应合成过渡金属氢氧化物，制得负载过渡金属氢氧化物的氧化锌纳米管阵列。
[0012]根据本专利技术的一些实施例，所述第一碱性溶液和/或所述第二碱性溶液选自氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。第一碱性溶液的类型和第二碱性溶液的类型可相同或不同。
[0013]步骤S1中，导电基材可采用碳纤维布、泡沫镍、泡沫铜等。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，步骤S1中，采用电化学沉积法在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列；
[0015]优选地，采用电化学沉积法在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列，包括：
[0016]①
将导电基材浸入有机溶剂中进行超声处理，而后置于酸液中进行浸泡处理，再进行清洗、干燥；
[0017]②
将步骤
①
处理后的导电基材作为阴极，与阳极一同接入电路，然后插入电镀液进行电沉积，所述电镀液的组分包括锌盐；电沉积结束后，对所述导电基材上的沉积物进行清洗、干燥，制得氧化锌纳米棒阵列。
[0018]根据本专利技术的一些实施例，步骤
②
中，所述电镀液的组分还包含铵盐。具体可控制电镀液中锌离子的浓度为0.01～0.02M；铵根离子的浓度为0.02～0.06M。通过在电镀液中添加铵盐，有助于氧化锌纳米棒阵列的生长，可提高氧化锌纳米棒阵列的生长均匀性。
[0019]根据本专利技术的一些实施例，步骤
②
中，所述锌盐选自醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌中的至少一种；所述铵盐选自醋酸铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵中的至少一种。
[0020]另外，步骤
②
中，电沉积过程可控制直流电源的电流密度为0.5～1.5mA/cm2，温度(电镀液的温度)为50～90℃，电沉积60～120min。电沉积结束后，可采用超纯水对导电基材上的沉积物清洗，而后在50～70℃下烘干。
[0021]步骤
①
中，具体可将导电基材浸入有机溶剂中超声处理10～60min，以去除导电基材上的油污；而后置于酸液中浸泡1～2h，以去除导电基材表面的酸溶性杂质；再在超纯水中超声并漂洗30～60min，最后用超纯水洗净，在50～70℃下烘干。
[0022]根据本专利技术的一些实施例，步骤
①
中，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、四氢呋喃中的至少一种；所述酸液选自硫酸、硝酸、盐酸中的至少一种。另外，酸液优选采用浓酸，如浓硫酸、浓硝酸和浓盐酸，其中，浓硫酸指浓度(H2SO4的水溶液里H2SO4的质量百分比)大于或等于70％的H2SO4水溶液；浓硝酸是指质量分数在65～70％的HNO3水溶液；浓盐酸是质量分数大于20％的HCl水溶液。
[0023]步骤S2中，具体可将氧化锌纳米棒阵列浸入浓度为0.1～0.5M的第一碱性溶液中，在50～90℃条件下溶解刻蚀2～6h，制备氧化锌纳米管阵列；然后浸入超纯水去除氧化锌纳米管阵列上剩余的第一碱性溶液，再在50～70℃条件下烘干。
[0024]根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列；S2、将所述氧化锌纳米棒阵列浸入第一碱性溶液中进行溶解刻蚀，制得氧化锌纳米管阵列；而后进行清洗，去除所述氧化锌纳米管阵列上的所述第一碱性溶液；S3、将步骤S2处理后的氧化锌纳米管阵列浸入过渡金属盐溶液中，使所述氧化锌纳米管阵列吸附上过渡金属离子；而后转移至第二碱性溶液中，使所述氧化锌纳米管阵列上的所述过渡金属离子与所述第二碱性溶液反应合成过渡金属氢氧化物，以使所述氧化锌纳米管阵列负载上过渡金属氢氧化物。2.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述过渡金属盐溶液包含镍盐溶液；优选地，所述过渡金属盐溶液为包含锰盐、镍盐和钴盐的混合溶液。3.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述第一碱性溶液和/或所述第二碱性溶液选自氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。4.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用电化学沉积法在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列；优选地，采用电化学沉积法在导电基材上制备氧化锌纳米棒阵列，包括：
①
将导电基材浸入有机溶剂中进行超声处理，而后置于酸液中进行浸泡处理，再进行清洗、干燥；
②
将步骤
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高仁，赵佳伟，古林非，谢灵杰，李成飞，吴金齐，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：