一种多孔Zn-Ni-P-O@rGo杂化纳米片阵列材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于储能纳米材料技术领域，公开了一种多孔Zn

【技术实现步骤摘要】
一种多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于储能纳米材料
，具体涉及一种多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着将可持续能源转化为化学能储存而且依靠电能输出的技术逐渐成熟，超级电容器作为新型储能器件和能源转化设备倍受关注，特别是柔性固态电容器作为柔性可穿戴的电子设备拥有巨大的发展前景。对于柔性超级电容器而言，它的体积、柔性和能量存储效率对其性能有很大影响。柔性超级电容器通常由柔性电极材料、凝胶电解质、隔膜和柔性集电器组成。电极材料作为电化学能量存储的最重要的部分，其形貌、导电性、尺寸等都决定了其容量和储能能力。因此，电极材料微观结构设计和改善电极导电性对高性能柔性超级电容器的发展具有重大意义。
[0003]近年来，金属氧化物因为电容值远高于碳材料在超级电容器储能领域得到了广泛研究。但是金属氧化物自身的导电性差，使得氧化还原反应电位发生滞后，导致其倍率性能受限，所以通过将金属元素与P、S、N等非金属元素复合来改善金属氧化物电极材料的性能得到科研者们的青睐。磷作为与氮同一主族的多价非金属元素，也是配位化学中最有用和最成熟的供体原子之一，磷与金属形成化学键后，二者的电负性差异较小，能加速电子在过渡金属磷化物中进行快速地传导，从而促进氧化还原反应。但是过渡金属磷化物发生氧化还原反应时，容易产生体积膨胀从而造成循环稳定性降低。
[0004]石墨烯作为碳材料，具有优异的电化学性能和化学稳定性，在超级电容器领域有着巨大的应用前景。将石墨烯与过渡金属磷化物复合既能提高电极材料的电容特性，又能解决过渡金属磷化物循环稳定性差的难题。但是在已有的大多数研究中，过渡金属磷化物制备步骤繁杂且制备方法危险系数高。
[0005]授权公告号为CN113299492B的专利，利用六水合氯化镍，对苯二甲酸和泡沫铜首先经过120℃水热原位生长Ni
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MOF前驱体，然后将Ni
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MOF前驱体置于氢氩气气氛中400℃进行退火热处理得到Ni
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MOF，最后将Ni
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MOF和亚磷酸二氢钠置于管式炉中采用化学气相沉积(CVD)法300℃磷化，得到MOF衍生Ni2P/Cu3P材料应用于超级电容器。此过程经历了三次繁琐的高温处理步骤，特别是在CVD磷化过程中会放出磷化氢有毒气体，如果亚磷酸二氢钠用量掌握不准会生成大量气体，导致管内压强过大，严重时会发生爆炸。授权公告号为CN112687477B的专利，将六水合氯化镍、六水合氯化钴、红磷与石墨烯混合溶液搅拌2h，然后加入水热釜中180℃
×
16h进行水热反应，之后将样品在真空干燥箱中60℃
×
12h干燥，获得CoNiP
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rGO复合材料应用于锌离子超级电容。此方法虽然步骤少，但是红磷和水在加热条件下生成磷化氢有毒气体和磷酸，其中会混有二磷化四氢，该物质易自燃有危险。而且通过水热反应制得的石墨烯混合物会产生严重的团聚现象导致材料的电化学性能受限。
[0006]因此，研究提供一种高效、高质量、安全的石墨烯复合过渡金属磷化物制备方法，
成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种制备石墨烯复合过渡金属磷化物的方法，本专利技术的方法操作简单，工艺要求不苛刻，特别是经过恒电位电沉积引入红磷和石墨烯避免了高温磷化的危险，可实现安全、高质量制备石墨烯包覆的过渡金属磷化物，制备出的多孔纳米片阵列材料具有优异的电化学性能和较高的循环稳定性。
[0008]首先，根据本专利技术的一方面，本专利技术提供了一种多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料，本专利技术的多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo纳米片阵列材料在碳布基底上原位自生长形成并包括ZnO、NiO、ZnP2、Ni2P物相，其中，纳米片由球形颗粒自组装形成，纳米片上球形颗粒之间孔洞均匀分布，平均孔径为10nm。
[0009]优选地，本专利技术上述多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料经下述步骤制备而成：
[0010]步骤一、碳布基底清洗：将碳布基底依次置于丙酮和无水乙醇中进行超声清洗20min，超声清洗后的碳布基底采用去离子水清洗，进行60℃
×
6h干燥，得到清洗过的碳布基底；
[0011]步骤二、种子层制备：配置Zn(NO3)2与Ni(NO3)2的乙醇混合溶液，其中，Zn(NO3)2浓度为40mmol/L，Ni(NO3)2浓度为40mmol/L；将清洗过的碳布基底在混合溶液中浸泡30min，室温干燥后，在300℃温度下加热5min，得到负载种子层的碳布基底；
[0012]步骤三、Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列前驱体制备：配置Zn(SO4)2、Ni(NO3)2、CO(NH2)2与Na3C6H5O7的混合水溶液，其中，Zn(SO4)2浓度为25mmol/L，Ni(NO3)2浓度为25mmol/L，CO(NH2)2浓度为60mmol/L，Na3C6H5O7浓度为3mmol/L；将负载种子层的碳布基底和混合水溶液转移至高压反应釜中，将高压反应釜密封后置于烘箱中进行150℃
×
12h水热反应，待反应结束冷却至室温时用去离子水和乙醇冲洗试样，进行60℃
×
6h真空干燥，得到Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体；
[0013]步骤四、多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo前驱体制备：采用石墨烯分散液配置石墨烯和红磷混合溶液，其中，石墨烯分散液浓度为0.1mg/mL
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1mg/mL，红磷和石墨烯质量比为1:0.5
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1:2；将Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体置于石墨烯和红磷混合溶液中进行恒电位电沉积，其中，恒电位电沉积在三电极电化学反应体系中进行，以Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体为工作电极，铂片电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极，石墨烯和红磷混合溶液为反应电解液，沉积电压为0.9V
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1.2V，沉积时间为10min；沉积结束后采用去离子水清洗试样并进行60℃
×
6h真空干燥，得到多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo前驱体；
[0014]步骤五、退火热处理：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料，其特征在于，所述多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo纳米片阵列材料在碳布基底上原位自生长形成并包括ZnO、NiO、ZnP2、Ni2P物相，其中，纳米片由球形颗粒自组装形成，纳米片上球形颗粒之间孔洞均匀分布，平均孔径为10nm。2.根据权利要求1所述的多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料，其特征在于，所述多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo杂化纳米片阵列材料经下述步骤制备而成：步骤一、碳布基底清洗：将碳布基底依次置于丙酮和无水乙醇中进行超声清洗20min，超声清洗后的碳布基底采用去离子水清洗，进行60℃
×
6h干燥，得到清洗过的碳布基底；步骤二、种子层制备：配置Zn(NO3)2与Ni(NO3)2的乙醇混合溶液，其中，Zn(NO3)2浓度为40mmol/L，Ni(NO3)2浓度为40mmol/L；将清洗过的碳布基底在混合溶液中浸泡30min，室温干燥后，在300℃温度下加热5min，得到负载种子层的碳布基底；步骤三、Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列前驱体制备：配置Zn(SO4)2、Ni(NO3)2、CO(NH2)2与Na3C6H5O7的混合水溶液，其中，Zn(SO4)2浓度为25mmol/L，Ni(NO3)2浓度为25mmol/L，CO(NH2)2浓度为60mmol/L，Na3C6H5O7浓度为3mmol/L；将负载种子层的碳布基底和混合水溶液转移至高压反应釜中，将高压反应釜密封后置于烘箱中进行150℃
×
12h水热反应，待反应结束冷却至室温时用去离子水和乙醇冲洗试样，进行60℃
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6h真空干燥，得到Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体；步骤四、多孔Zn
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Ni
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P
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O@rGo前驱体制备：采用石墨烯分散液配置石墨烯和红磷混合溶液，其中，石墨烯分散液浓度为0.1mg/mL
‑
1mg/mL，红磷和石墨烯质量比为1:0.5
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1:2；将Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体置于石墨烯和红磷混合溶液中进行恒电位电沉积，其中，恒电位电沉积在三电极电化学反应体系中进行，以Zn
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Ni
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O杂化纳米片阵列的前驱体为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，石墨烯和红磷混合溶液为反应电解液，沉积电压为0.9V
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1.2V，沉积时间为10min；沉积结束后采用去离子水清洗试样并进行60℃
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6h真空干燥，得到多孔Zn
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Ni
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O@rGo前驱体；步骤五、退火热处理：将多孔Zn
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Ni
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O@rGo前驱体置于高纯氩气气氛下进行退火热处理，其中，热处理温度为450℃，升温速率为2℃/min，保温3h，氩气流量为35mL/min，得到多孔Zn
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Ni
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O@rGo杂化纳米片阵列材料。3.根据权利要求1所述的多孔Zn
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Ni
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O@rGo杂化纳米片阵列材料，其特征在于，在电解液为浓度为6mol/L的KOH，参比电极为Hg/HgO电极，对电极为铂片电极的条件下进行恒电流充放电测试，所述多孔Zn
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Ni
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O@rGo杂化纳米片阵列材料的工作电压窗口为0V
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0.5V，放电时间为130s
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838.6s，质量比电容为260F/g
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔丽华，卯敏慧，尹伊志，陆有军，马金福，姚美亭，安江波，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：