CN102903532A - MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，包括：（1）制备前驱体Co3O4纳米片阵列；（2）利用等离子体溅射法在上述Co3O4纳米片阵列的表面蒸镀，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列；（3）将上述Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列于0.2mA/cm2恒电流条件下电化学沉积，将MnO2包覆在Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列的表面；反应完成后，将得到的产物清洗后干燥，最后煅烧，即得。本发明的制备方法操作简单，不需要复杂设备；本发明所制得的Co3O4-Au-MnO2纳米片阵列为三元复合纳米分级异质结构，电化学性能优异，应用前景广阔。

Description

MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备
技术领域
本发明属于超级电容器材料的制备领域，特别涉及一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备。
背景技术
人类目前面临着能源紧缺的严重问题，随着全球能源价格的不断攀升和环境的日益恶化，新能源技术越来越受到各方重视，成为解决未来能源产业发展的关键环节。人们一方面寻找替代化石燃料的可再生能源，如太阳能、风能、地热能；另一方面，开发新的能源存储技术，提高能源利用效率，满足日益复杂的能源需求模式。电化学电容器作为一种新型环保储能器件，具有比传统电池高得多的功率密度和相比拟的能量密度，集能量密度高、功率密度大、循环寿命长、充电时间短等优点于一身。在汽车、电力、铁路、通讯、国防、消费型电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力，引起了国内外科学家的广泛兴趣。目前广泛用于超级电容器的电极材料有多孔碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物（P.Simon et al,Nat.Mater.2008,7,845.）。
过渡金属氧化物中，四氧化三钴和二氧化锰是两种极具发展潜力的超级电容器电极材料，其理论比电容分别为3560F/g和1400F/g，此外，四氧化三钴和二氧化锰电极材料因其理论电容高、价格低廉和环境友好而备受亲睐。目前各种形貌的四氧化三钴和氧化锰材料都已被制备，而且方法多样，例如化学沉淀法、固相法、溶胶凝胶法等等（R.B.Rakhi etal,Nano Lett.2012,12,2559.）。然而氧化锰电极材料的低导电性限制了其在超级电容器方面的应用，为了提高综合性能，与其他导电性能优良的材料组成复合物材料电极已成为必然。目前已有文献报道，将Au和MnO2做成薄膜制备了Au-MnO2复合材料，但是制备条件苛刻不足以满足市场需求。
因此，研制一种制备方法简便，环境友好的新型多元复合过渡金属氧化物超级电容器材料已成为必然的趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，该制备方法操作简单，不需要复杂设备，得到的Co3O4-Au-MnO2超级电容器材料为三维分级异质结构、电化学性能优异。
本发明的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，包括：
（1）将泡沫镍在含有DMSO的Co(NO3)2水溶液中于-1V电位下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后煅烧，得到前驱体Co3O4纳米片阵列；
（2）利用等离子体溅射法在上述Co3O4纳米片阵列的表面蒸镀，形成一层Au颗粒组成的薄膜，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列；
（3）将上述Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列置于含有DMSO的Mn(CH3COO)2和CH3COONH4的混合水溶液中，然后于0.2mA/cm2恒电流条件下电化学沉积，将MnO2包覆在Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列的表面；反应完成后，将得到的产物清洗后干燥，最后煅烧，即得。
步骤（1）中所述的煅烧为在马弗炉中煅烧。
步骤（1）中所述的含有DMSO的Co(NO3)2水溶液中Co(NO3)2的浓度为0.01~0.05mol/L。
步骤（2）中所述的蒸镀的时间为0.5~3min。
步骤（3）中所述的含有DMSO的Mn(CH3COO)2和CH3COONH4的混合水溶液中Mn(CH3COO)2的浓度为0.005~0.02mol/L，CH3COONH4的浓度为0.01~0.05mol/L。
步骤（3）中所述的清洗为分别用乙醇、去离子水清洗1-3次。
步骤（3）中所述的干燥为于60-80℃干燥3-5h。
步骤（3）中所述的煅烧为在马弗炉中煅烧2h.
本发明中MnO2纳米棒生长于Co3O4-Au纳米片上。
本发明中采用的等离子体溅射法的具体操为：(1)将金靶放入靶槽，将需要表面处理的样品置于样品旋转台上，闭合样品台旋转开关，盖上玻璃罩；(2)开启机械泵，将真空度稳定在7-10Pa，闭合离子流开关，旋转高压旋钮，调节高压，使实验过程中电流稳定在10mA；(3)沉积时间结束时关闭高压，断开离子流开关，最后开启充气旋钮使玻璃罩内压力恢复至大气压，最后取出样品。
本发明在电化学沉积技术条件下，利用不同条件下制备的前驱体合成MnO2纳米棒阵列状排布于Co3O4-Au纳米片材料。
本发明以常见的无机物溶液为原料，通过调控电化学沉积过程中反应物的浓度、时间、温度等实验参数，制备出三维Co3O4-Au-MnO2分级异质结构，得到大面积分布均匀的三维分级异质结构、电化学性能优异的Co3O4-Au-MnO2纳米片阵列。
本发明通过简单的电化学沉积技术，成功合成了电化学性能优异的Co3O4-Au-MnO2三元复合纳米分级异质结构，将在探索新型电极材料的制备技术，筛选更为理想的、高比电容或体积能量密度、高充放电功率密度的电极材料，提高电化学电容器的性能，解决能源紧缺方面做出贡献。
本发明通过电化学沉积和等离子溅射技术，合成了Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列。制备的Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列具有良好的电化学稳定性，循环5000次电容损失很小。由于该方法制备简单，不需要复杂设备，制备产品分布均匀，所得三维分级异质结构电极材料的电化学性能也非常优异。因此，本方法制备的Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列在超级电容器、锂离子电池材料等方面有广阔的应用前景。
有益效果：
（1）本发明的制备方法操作简单，不需要复杂设备；
（2）本发明所制得的Co3O4-Au-MnO2纳米片阵列为三元复合纳米分级异质结构，电化学性能优异，可大大拓展电化学电容器材料的制备方法与应用领域。
附图说明
图1为本发明中制备的三维Co3O4-Au-MnO2分级异质结构的扫描电镜图片；
图2为本发明中制备的三维Co3O4-Au-MnO2分级异质结构的XPS图片；
图3为本发明中制备的三维Co3O4-Au-MnO2分级异质结构的循环稳定性测试图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明采用电化学沉积技术，通过调配特定的反应溶液，将经过除去表面氧化层的泡沫镍作为工作电极浸入到反应溶液中，沉积获得Co3O4前驱体后蒸镀Au薄膜，然后在另一溶液中电化学沉积一定时间，制备电化学性能优异的三维Co3O4-Au-MnO2分级异质结构。
实施例1
（1）利用泡沫镍在含1%（体积浓度）DMSO的0.02mol/L的Co(NO3)2水溶液中-1V下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度250℃），获得黑色Co3O4纳米片阵列；
（2）再利用等离子体溅射法在获得的Co3O4纳米片表面蒸镀0.5min，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列前驱体；
（3）将上述前驱体置于含1%（体积浓度）DMSO的0.005mol/L Mn(CH3COO)2和0.01mol/L CH3COONH4的混合水溶液中，然后用电化学沉积法在Co3O4-Au纳米片表面恒电流沉积1h，电流密度为0.2mA/cm2，然后将产物分别用乙醇、去离子水冲洗数次，60-80℃、干燥3-5h，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度200℃）2h，得到Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列。
实施例2
（1）利用泡沫镍在含3%（体积浓度）DMSO的0.03mol/L的Co(NO3)2水溶液中-1V下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度250℃），获得黑色Co3O4纳米片阵列；
（2）再利用等离子体溅射法在获得的Co3O4纳米片表面蒸镀1min，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列前驱体；
（3）将上述前驱体置于含5%（体积浓度）DMSO的0.01mol/L Mn(CH3COO)2和0.02mol/L CH3COONH4的混合水溶液中，然后用电化学沉积法在Co3O4-Au纳米片表面恒电流沉积1h，电流密度为0.2mA/cm2，然后将产物分别用乙醇、去离子水冲洗数次，60-80℃、干燥3-5h，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度200℃）2h，得到Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列。
实施例3
（1）利用泡沫镍在含5%（体积浓度）DMSO的0.05mol/L的Co(NO3)2水溶液中-1V下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度250℃），获得黑色Co3O4纳米片阵列；
（2）再利用等离子体溅射法在获得的Co3O4纳米片表面蒸镀1.5min，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列前驱体；
（3）将上述前驱体置于含10%（体积浓度）DMSO的0.005mol/L Mn(CH3COO)2和0.02mol/L CH3COONH4的混合水溶液中，然后用电化学沉积法在Co3O4-Au纳米片表面恒电流沉积30min，电流密度为0.2mA/cm2，然后将产物分别用乙醇、去离子水冲洗数次，60-80℃、干燥3-5h，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度200℃）2h，得到Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列。
实施例4
（1）利用泡沫镍在含2%（体积浓度）DMSO的0.02mol/L的Co(NO3)2水溶液中-1V下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度250℃），获得黑色Co3O4纳米片阵列；
（2）再利用等离子体溅射法在获得的Co3O4纳米片表面蒸镀3min，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列前驱体；
（3）将上述前驱体置于含5%（体积浓度）DMSO的0.02mol/L Mn(CH3COO)2和0.05mol/L CH3COONH4的混合水溶液中，然后用电化学沉积法在Co3O4-Au纳米片表面恒电流沉积30min，电流密度为0.2mA/cm2，然后将产物分别用乙醇、去离子水冲洗数次，60-80℃、干燥3-5h，然后在马弗炉中煅烧（煅烧温度200℃）2h，得到Co3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列。

Claims (8)

1.一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，包括：
（1）将泡沫镍在含有DMSO的Co(NO3)2水溶液中于-1V电位下电化学沉积制备Co(OH)2纳米片阵列，然后煅烧，得到前驱体Co3O4纳米片阵列；
（2）利用等离子体溅射法在上述Co3O4纳米片阵列的表面蒸镀，形成一层Au颗粒组成的薄膜，得到Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列；
（3）将上述Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列置于含有DMSO的Mn(CH3COO)2和CH3COONH4的混合水溶液中，然后于0.2mA/cm2恒电流条件下电化学沉积，将MnO2包覆在Au薄膜覆盖的Co3O4纳米片阵列的表面；反应完成后，将得到的产物清洗后干燥，最后煅烧，即得。
2.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的煅烧为在马弗炉中煅烧。
3.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的含有DMSO的Co(NO3)2水溶液中Co(NO3)2的浓度为0.01~0.05mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的蒸镀的时间为0.5~3min。
5.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的含有DMSO的Mn(CH3COO)2和CH3COONH4的混合水溶液中Mn(CH3COO)2的浓度为0.005~0.02mol/L，CH3COONH4的浓度为0.01~0.05mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的清洗为分别用乙醇、去离子水清洗1-3次。
7.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的干燥为于60-80℃干燥3-5h。
8.根据权利要求1所述的一种MnO2纳米棒长在Co3O4-Au纳米片上的分级异质结构超级电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的煅烧为在马弗炉中煅烧2h。
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