镍基镍钛水滑石薄膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种镍钛水滑石薄膜材料及其制备方法，该材料可用作超电容以及电吸附材料。镍基镍钛水滑石薄膜是以泡沫镍为基底材料，在其表面原位生长镍钛类水滑石薄膜。该薄膜具有晶型完整，均匀致密，附着力高、不易脱落的优点。其制备方法是：将泡沫镍片放置于硝酸镍与硫酸钛混合溶液中，通过控制pH，反应温度，时间等反应条件，在泡沫镍片上原位生长镍钛水滑石薄膜。本发明专利技术中的镍源来自于泡沫镍表面与溶液中溶解的镍盐，与单纯在基片上沉积而得到的水滑石薄膜相比，所制备的薄膜在基体上的附着力更强。该材料具有较好的超电容性能以及电吸附性能，可将其用做超电容电极材料和电吸附电极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水滑薄膜材料及其制备方法，具体涉及镍钛水滑石薄膜材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在当今科技迅速发展的潮流下，电子元件日趋变小以及电动汽车逐渐普及，作为后备电源和记忆候补装置的超级电容器引起人们的广泛关注。目前主流的超级电容器材料由氧化钌薄膜系统和碳双电层开发而成。在Electrochem. Solid StateLett, 2000, 3(5) :205-208中Manthiram等人制成的钌铬复合氧化物比容量高达840F/go但是用于电动车辆动力源中的电池-电容器混合系统中的大容量电容器所需的钌材料非常昂贵，这也是限制超级电容器普及的一个非常重要的因素。在文献Adv.Mater, 2006, 18，2807-2824中，Bavykin报道了 TiO2纳米管阵列作为锂离子电池的阳极的 电容量可达338mA h/g。而Ni由于在NiH电池中具有高电容量的特点，Zhang等在Nano.Res, 2010，3，643中提出β -Ni (OH)2的煅烧产物多孔NiO在5A/g能达到390F/g的比电容。复合氧化物材料不但性能优良并且价格低廉，故在电化学领域引起了广泛研究和关注。在文献Energy Fuels, 2010，24:6463 - 6467中，Wang等人利用尿素法将镍铝水滑石粉体沉积在泡沫镍当中，在10mA/cm2电流密度下达到701F/g。电吸附材料作为电吸附性能的决定性因素，一直受到广泛关注。由于电吸附基本原理是通电时水中的离子将分别向相反电荷电极迁移并被该电极吸附在电极表面所形成的双电层，故双电层理论为其基础理论。目前国内外主要以炭材料作为电吸附材料的首选。按照材料的不同，国内外主要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纤维和炭气凝胶等材料做电吸附材料的电吸附技术。在文献Desalination，2011，270:285 - 290中，Li等人用二氧化钛改性过的活性炭做为吸附剂吸附氯离子，这种方法优点是活性炭材料具有更大的比表面积和吸附容量，具有良好的去除重金属离子的效果。缺点是本身高电阻和传质阻力的缺点限制了它在实际中的应用。在文献Ind. Eng. Chem. Res, 2011，50:5334-5345中，Gao等人制备出镍钛水滑石，并且成功将十二烷基苯磺酸钠插入到水滑石层间，对五氯苯酚等有毒有机试剂实现了良好的吸附性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种镍钛水滑石薄膜材料及其制备方法，该材料可用作超电容以及电吸附的电极材料。本专利技术提供的镍基镍钛水滑石薄膜是以泡沫镍为基体，在其表面原位生长镍钛类水滑石薄膜，该薄膜的化学式是2x+ (⑶广)x · mH20其中Ni2+与Ti4+位于主层板之间；C032-为层间阴离子；Ni2+/Ti4+的摩尔比值为1.51.6;较佳的比值为2 4:1 ;m代表层间水。该镍基镍钛水滑石薄膜具有晶型完整，粒径分布均一，附着力高、不易脱落等特性。镍基镍钛水滑石薄膜的具体制备步骤如下A.采用纯度大于90%的泡沫镍片为基体，按需要剪成不同的大小和形状，用质量浓度为36%浓盐酸超声波清洗，然后分别用去离子水和无水乙醇清洗干净，放入60°C烘箱中烘干备用；B.以Ti (SO4)2为Ti源，以Ni (NO3)2作为Ni源，用去离子水按摩尔比Ni2+:Ti4+=2 4:1的比例配制镍、钛混合盐溶液a，其中Ti (SO4)2为O. 05 O. 20mol/L ;再用去离子水将NaOH与Na2CO3按照摩尔比Na0H:Na2C03=5 9:2. 2配制碱性溶液b，其中Na2CO3为O.7^1. OmoI/L ;将碱性溶液b逐滴加入镍、钛混合盐溶液a中，调节pH值在8 10之间，再将 步骤A中处理后的泡沫镍片置入其中，于5(T90°C下反应6 14h;取出镍片，使用去离子水超声波清洗，于60°C下干燥12h;C.用Ti (SO4) 2、Ni (NO3)2与去离子水配制镍、钛混合盐溶液C，其中Ni2+ = Ti4+摩尔比为2 4:1，Ti (SO4)2摩尔浓度为O. 05 0. 20mol/L ;再用Na2CO3、氨水和去离子水配制碱性溶液山其中NH3 = Na2CO3摩尔比为7 11:2. 2，Na2CO3摩尔浓度为O. 7 I. Omo I/L ;将碱性溶液d逐滴加入镍、钛混合盐溶液c中，调节pH值到8. 5^10之间；再放入步骤B烘干后的镍片，于6(T70°C下反应l(Tl4h，得到在泡沫镍基体上生长的镍钛水滑石薄膜。其中步骤B中的镍、钛混合溶液a与步骤C中的镍、钛混合溶液c的摩尔浓度和可以相同也可以不同。步骤B中混合盐溶液与碱性溶液混合，形成镍钛水滑石粉体沉积在泡沫镍表面，为步骤C生长泡沫镍薄膜提供晶核。而步骤C利用铵离子的络合作用，在泡沫镍基体生长镍钛水滑石薄膜，所加入的镍、钛混合溶液为生长水滑石提供镍源与钛源。上述制备过程中，由步骤B共沉淀法沉积在泡沫镍表面的镍钛水滑石粉末提供晶核，为下一步反应提供前驱体，步骤C中的氨水通过水解可以为溶液提供0!Γ和ΝΗ4+。并且该混合溶液PH值在8. 5 10之间，进而为水滑石合成提供合适的pH值条件。泡沫镍片在弱碱性溶液中，在NH4+的作用下，先与铵离子形成络合物，然后缓慢释放出Ni+，为水滑石的生长提供Ni源，当镍片表面的离子浓度达到过饱和后可以形成水滑石晶核，然后逐渐长大，在镍基体表面形成均匀致密的镍钛水滑石薄膜材料。将实施例1-5所用泡沫镍X射线粉末衍射仪(XRD)进行分析，结果如图I所示，在44. 9和52. 4处有两个较强的镍的吸收峰。图2是实施例I中从泡沫镍基底上刮下的镍钛水滑石薄膜粉体的XRD图谱。图中在(003)、(006)、(009)、(110)出现特征衍射峰，这说明制备出的薄膜材料中的活性组分是镍钛水滑石材料。图3是实施例I的带泡沫镍基片的镍钛水滑石薄膜的XRD特征衍射峰。由图可见，除了在44. 9与52. 4出现泡沫镍特征峰外，在(003 )、( 006 )、( 009 )、( 110 )也出现特征峰，说明在泡沫镍表面生长出了镍钛水滑石薄膜。图5是实施例I得到的镍钛水滑石薄膜材料的扫描电子显微镜表征。由图可见在泡沫镍的表面存在一种非常致密的片状水滑石薄膜，该水滑石纳米片的厚度大约20nm左右。图6是将实施例I得到的镍钛水滑石薄膜在lmol/L的KOH电解液中的循环伏安曲线，扫描速率分别是lmVs'SmVs' lOmVs—1和SOmVs'图中一对氧化还原峰，反应了镍的不同氧化态的转变，伏安循环曲线反应了赝电容主要来自于镍钛水滑石的法拉第氧化还原反应。阴极和阳极峰的电位差跟镍钛水滑石薄膜材料的超电容和电吸附薄膜电极低的电导率有关。随着扫描速率的增加，氧化还原电流增加，氧化峰向正极偏移，还原峰向负极偏移，这一结果反应了氧化还原的可逆性。图7是实施例I中得到的镍基镍钛水滑石薄膜在lmol/L的KOH电解液中不同的电流密度下的充放电曲线，充放电过程是在0-0. 45V之间进行，电容值由下式计算得到Cm=I At/AVCni表示电容(Fg—1)，I是充放电电流(mA)，Λ t是充放电的时间(s)，AV是电压(V).通过计算可得在电流密度分别为10、20、30mAcm_2时，镍基水滑石薄膜的电容值分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍基镍钛水滑石薄膜的制备方法，具体制备步骤如下：A．采用纯度大于90%的泡沫镍片为基体，按需要剪成不同的大小和形状，用质量浓度为36%浓盐酸超声波清洗，然后分别用去离子水和无水乙醇清洗干净，放入60℃烘箱中烘干备用；B．以Ti(SO4)2为Ti源，以Ni(NO3)2作为Ni源，用去离子水按摩尔比Ni2+:Ti4+=2~4:1的比例配制镍、钛混合盐溶液a，其中Ti(SO4)2为0.05~0.20mol/L；再用去离子水将NaOH与Na2CO3按照摩尔比NaOH:Na2CO3=5~9:2.2配制碱性溶液b，其中Na2CO3为0.7~1.0mol/L；将碱性溶液b逐滴加入镍、钛混合盐溶液a中，调节pH值在8~10之间，再将步骤A中处理后的泡沫镍片置入其中，于50~90℃下反应6~14h；取出镍片，使用去离子水超声波清洗，于60℃下干燥12h；C．用Ti(SO4)2、Ni(NO3)2与去离子水配制镍、钛混合盐溶液c，其中Ni2+:Ti4+摩尔比为2~4:1，Ti(SO4)2摩尔浓度为0.05~0.20mol/L；再用Na2CO3、氨水和去离子水配制碱性溶液d，其中NH3:Na2CO3摩尔比为7~11:2.2，Na2CO3摩尔浓度为0.7~1.0mol/L；将碱性溶液d逐滴加入镍、钛混合盐溶液c中，调节pH值到8.5~10之间；再放入步骤B烘干后的镍片，于60~70℃下反应10~14h，得到在泡沫镍基体上生长的镍钛水滑石薄膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷晓东，谷耀行，孙晓明，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：