一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法技术

本发明专利技术公开了一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，包括以下步骤：将可溶性金属盐和组分调节剂配制为混合电解液，再以导电基底作为工作电极，浸入混合电解液中，恒电位沉积得到导电基底表面原位生长的三元层状金属氢氧化物电极材料；所述的组分调节剂包括含有F

【技术实现步骤摘要】
一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法


[0001]本专利技术涉及新型储能材料的制备领域，尤其涉及一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法。

技术介绍

[0002]超级电容器作为一种新型的储能器件具有功率密度大、充放电速率快、维护成本低和环境友好等优点。电容器的性能优劣在很大程度上取决于电极材料的性能，因此开发高性能电极材料成为一大研究热点。常用的电极材料包括碳材料，过渡金属化合物及导电高分子等。其中过渡金属化合物利用电极表面快速的氧化还原反应实现储能，因其具有高比电容的优势，受到研究者的广泛关注。
[0003]层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，LDH)具有高比表面积，化学组成可调，高氧化还原活性等优势，是一种性能良好的电极材料。但是在连续充放电过程中，LDH材料的主体层板会由于金属离子的化合价变化而出现周期性的变形，从而导致层板及晶体结构的破坏，比电容降低。这种本征结构的破坏导致LDH较差的循环性能，极大地限制了LDH材料的应用。
[0004]目前已报道的研究工作采用向LDH层板结构中引入无电化学活性的金属元素以达到稳定层板结构、提高材料的循环稳定性的目的。文献(Significant Role of Al in Ternary Layered Double Hydroxides for Enhancing Electrochemical Performance of Flexible Asymmetric Supercapacitor,Adv Funct Mater 29(2019)1903879.)报道了采用水热法在碳布表面原位生长NiCoAl
‑
LDH，通过改变铝元素的含量探究材料形貌及性能的变化，结果发现，随着铝离子含量的增加，LDH的微观形貌逐渐由纳米线向纳米片过渡。更重要的是铝离子的含量对于LDH的性能起到了非常大的影响。铝离子含量上升在提高材料循环稳定性的同时，也会使得比电容降低。因此，如何调控三元LDH的组分使得电极呈现最佳的综合性能成为一个重要的问题。虽然通过控制水热法中金属盐的投料比可以控制金属离子的组分，但此方法需要在高温高压的条件下进行，存在耗能大，耗时长等缺点。
[0005]文献(Zhang Y,Wei S.Mg
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Co
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Al
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LDH nanoparticles with attractive electrochemical performance for supercapacitor[J].Journal of Nanoparticle Research,2019,21)报道了采用共沉淀法制备MgCoAl三元LDH纳米颗粒,该方法合成的材料需要采用泥浆包覆法制备成电极，胶黏剂的加入不利于电极的倍率性能，且制备过程较为复杂。
[0006]公开号为CN112542328A的中国专利文献公开了一种三元层状金属氢氧化物@聚苯胺的复合电极材料的制备方法，包括：利用电化学法在多孔导电基底上沉积聚苯胺制得聚苯胺基底，再将聚苯胺基底浸于混合电解液中制备得到三元层状金属氢氧化物@聚苯胺复合电极材料。该专利技术中，混合电解液中包括生长调节剂，生长调节剂用于调控三元层状金属氢氧化物的形貌；聚苯胺具有丰富的功能基团，配位作用仅限于聚苯胺层表面的亚氨基、阳离子氨基等含氮基团与三元层状金属氢氧化物生长基元产生配位作用，促进三元层状金属
氢氧化物的成核。该专利技术需要进行两步电化学沉积步骤，过程较为繁琐。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，实现了组分可调节的三元层状金属氢氧化物的电化学制备，步骤简单，条件温和，制得的电极材料可以在保持较高比电容的前提下，一定程度上延长电极的循环稳定性。
[0008]具体采用的技术方案如下：
[0009]一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，所述的三元层状金属氢氧化物电极材料通过电化学法制备得到，包括以下步骤：
[0010]将可溶性金属盐和组分调节剂配制为混合电解液，再以导电基底作为工作电极，浸入混合电解液中，恒电位沉积得到所述的三元层状金属氢氧化物电极材料；
[0011]所述的组分调节剂包括含有F
‑
、C2O
42
‑
、NH3、EDTA4‑
、CN
‑
或NCS
‑
的配位剂。
[0012]专利技术人研究发现，LDH的沉积过程受到K
sp
限制。可通过加入组分调节剂，与K
sp
较小的金属离子形成配位作用，使K
sp
较小的金属离子在溶液中的自由离子浓度降低，沉积平衡左移，金属离子在更大的氢氧根浓度下才能沉积，从而达到沉积产物中金属离子的相对含量可控的目的。
[0013]所述的可溶性金属盐包括电化学活性金属盐和电化学惰性金属盐，所述的电化学活性金属盐的阳离子为Co
2+
、Ni
2+
、Cr
3+
、Mn
2+
或Fe
3+
中的两种，所述的电化学惰性金属盐的阳离子为Zn
2+
、Al
3+
、Mg
2+
或Sc
3+
中的一种。
[0014]本专利技术以电化学活性金属盐、电化学惰性金属盐和组分调节剂配制得到的混合溶液作为混合电解液，其中，组分调节剂的具体种类及用量根据用于沉积的无电化学活性金属离子进行选择。组分调节剂可以与不同金属离子形成配位平衡，调节混合电解液中不同金属自由离子的浓度，进而调节K
sp
不同的金属离子的沉积平衡，从而打破电沉积过程中的溶解度积常数K
sp
限制，开发了电化学法制备的三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，制备得到组分可调的三元层状金属氢氧化物电极材料。
[0015]所述的导电基底包括碳布、金属网或泡沫金属。上述导电基底具有较高的比表面积，可以提高活性物质的负载量，有利于提高电极材料的电化学性能。
[0016]优选的，所述的混合电解液中，每种电化学活性金属盐的浓度为0.01～0.1mol L
‑1，电化学惰性金属盐的浓度为0.01～0.1mol L
‑1，电化学活性金属盐与电化学惰性金属盐的浓度摩尔比为1～100:0.05～2。
[0017]优选的，所述的混合电解液中，组分调节剂的浓度为0.01～0.2mol L
‑1。
[0018]进一步优选的，所述的电化学活性金属盐为Ni(NO3)2、Co(NO3)2、Fe(NO3)3、Mn(NO3)2或Cr(NO3)3中的两种，所述的电化学惰性金属盐为Al(NO3)3、Zn(NO3)2、Sc(NO3)3或Mg(NO3)2中的一种，所述的组分调节剂为NaF、Na2C2O4、NaCN、NaNCS或Na4EDT本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，其特征在于，包括以下步骤：将可溶性金属盐和组分调节剂配制为混合电解液，再以导电基底作为工作电极，浸入混合电解液中，恒电位沉积得到所述的三元层状金属氢氧化物电极材料；所述的组分调节剂包括含有F
‑
、C2O
42
‑
、NH3、EDTA4‑
、CN
‑
或NCS
‑
的配位剂。2.根据权利要求1所述的三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，其特征在于，所述的可溶性金属盐包括电化学活性金属盐和电化学惰性金属盐，所述的电化学活性金属盐的阳离子为Co
2+
、Ni
2+
、Cr
3+
、Mn
2+
或Fe
3+
中的两种，所述的电化学惰性金属盐的阳离子为Zn
2+
、Al
3+
、Mg
2+
或Sc
3+
中的一种。3.根据权利要求1所述的三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，其特征在于，所述的导电基底包括碳布、金属网或泡沫金属。4.根据权利要求1所述的三元层状金属氢氧化物电极材料的组分调控方法，其特征在于，所述的混合电解液中，每种电化学活性金属盐的浓度为0.01～0.1m...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜淼，耿标，胡文轩，郑强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：