CN102923691A - 一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用 Download PDF

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程起林
李春忠
马菁萍
邬斌洁
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Abstract

本发明公开了一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用。该制备方法具体是以分级多孔碳为模板，六次甲基四胺和硝酸镍为前驱体，采用一步水热反应法制备具有核壳结构的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。所制备的氢氧化镍/分级多孔碳用于超级电容器，作为复合电极材料比电容最高可达2952F·g-1，并在循环充放电1000次后仍能保持81%的初始比电容。该方法制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料有效实现了电极材料间的协同作用，表现出优异的电化学性能，在超级电容器材料领域获得广泛的应用。

Description

一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明是属于新能源材料领域，涉及一种超级电容器电极材料的制备方法，具体涉及一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备。
背景技术
近年来，全球经济迅猛发展，但随之产生的能源短缺和环境污染等问题也日益凸显，寻找新型、高效、环保、可再生的能源和能源存储转换设备已然成为各国研究者的共同奋斗目标。超级电容器作为一种新型的储能元件，具有充电时间短、充电效率高、对环境无污染、循环使用寿命长、无记忆效应以及基本无需维护等优点，有望广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和大型的工业设备中，成为能源领域的未来之星。然而，由于超级电容器自身的能量密度不高和制备成本高等缺点，超级电容器还很难进行实际应用。为了克服这些技术壁垒，现在主要将超级电容器的研究重点放在开发新型复合电极材料上。
高比表面积的碳材料是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来实现能量储存的，这种储能是通过电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，因此具有良好的循环稳定性和较高的比功率密度，使其成为生长具有电化学活性纳米材料的理想基体材料；而氢氧化镍具有较高的理论比电容、环保和低成本等特点。采用大比表面积的碳材料作为基体，在此基础上生长纳米结构的氢氧化镍，不仅能够保持氢氧化镍的赝电容活性，还能利用基体碳材料的导电性高的特点，使内层的电极材料也能参与到电化学反应的过程中，提高电极材料的利用率，最大限度地发挥其协同效应，从而实现超级电容器整体性能的提高和优化。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法，并研究其作为超级电容器电极材料的应用性能。
本发明的构思是这样的：以分级多孔碳 (制备方法见中国发明专利CN 102295281 A)为模板，六次甲基四胺和硝酸镍为前驱体，采用一步水热反应法制备具有核壳结构的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。酸化处理后的分级多孔碳表面带有羟基负电荷，通过碳球上的羟基负电荷和镍离子正电荷间的静电吸附作用，镍离子可以扩散进入到多孔碳球的内部进行均匀吸附，再经过六次甲基四胺的催化水解和水热反应，氢氧化镍以内核和外壳层的形式存在，均匀吸附在碳球上。复合电极材料采用多孔碳作为基体，能够有效提高复合材料的导电性，减小电荷在材料内的传输阻力，而其多孔结构有利于电解液离子向纳米复合材料内部进行传输和扩散，使内层的电极材料也能参与电化学反应过程，提高电极材料的利用率，从而提高材料的电化学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将分级多孔碳分散于1～3 M硫酸溶液中，在60～80℃下酸化6～8 小时后，过滤，用去离子水洗涤至中性，50～80 ℃下烘8～10小时得到酸化的分级多孔碳球；
（2）将0.01～0.06 g步骤（1）所述酸化的分级多孔碳球加入60～80 ml去离子水中，超声15～60 分钟，使其充分分散；
（3）将0.15 g～0.45 g六水合硝酸镍加入步骤（2）的分散体系中，搅拌15～30分钟至均匀溶解，再加入0.35 g～1.06 g六次甲基四胺，继续搅拌10～20分钟，得到混合液；
（4）将步骤（3）得到的混合液转移到水热反应釜中，密封，60～100℃下反应10～24小时；待水热反应釜自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇过滤洗涤分离，烘干，得到氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。
所述分级多孔碳球具有空心核和介孔壁，所述空心核的直径是300～600 nm，所述介孔壁的壁厚是25～60 nm。
所述六次甲基四胺与所述六水合硝酸镍的摩尔比为1：0.25～1。
所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料具有三层核壳结构，其中，核心是氢氧化镍，内壳层是具有介孔壁的多孔碳球，外壳层是薄片状的氢氧化镍，外壳层厚度为10~30 nm。
上述制备方法得到的所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的应用，所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料作为电极材料应用于超级电容器。
本发明采用水热法制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料，具有显著的特点：
（1）本发明所制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合物具有特殊三层核壳结构，其中核心是氢氧化镍，内壳层是具有介孔壁的多孔碳球，外壳层是薄片状的氢氧化镍。
（2）和单一的氢氧化镍电极材料相比，所制备的复合电极材料采用多孔碳作为基体，其能以导电层的形式联结外壳层和内核层的氢氧化镍纳米结构，有效提高复合材料的导电性，减小电荷在材料内的传输阻力，其多孔结构还有利于电解液离子向纳米复合材料内部进行传输和扩散，使内层的氢氧化镍电极材料也能参与电化学反应过程，提高电极材料的利用率，从而提高材料的电化学性能。
（3）本发明所得材料在电化学测试中表现出优异的性能，表明其在超级电容器电极材料领域的广阔应用前景。
附图说明
图1为实施例1产物的扫描电镜（SEM）图；
图2为实施例1产物的透射电镜（TEM）图；
图3为实施例1制备的氢氧化镍/分级孔碳复合电极材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线；
图4为实施例1制备的氢氧化镍/分级孔碳复合电极材料在不同电流密度下的恒流充放电曲线；
图5为实施例1制备的氢氧化镍/分级孔碳复合电极材料在50 mV·s-1的扫描速率下循环1000次的稳定性曲线，插图为循环第一圈和第1000圈的循环伏安曲线。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
实施例 1
将0.04 g自制的分级多孔碳分散于1 M硫酸溶液中，加热到60℃酸化6小时后，过滤，用去离子水洗涤至中性，60℃下烘8 小时得到酸化的分级多孔碳球。将0.04 g酸化的分级多孔碳分散在60 ml去离子水中，超声15分钟，使其充分分散。加入0.291 g Ni(NO3)2·6H2O，搅拌15分钟至均匀溶解，再加入0.701 g HMT，继续搅拌10分钟，得到混合液。最后将混合液转移到水热反应釜中，密封，80℃下反应12小时；待水热反应釜自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇过滤洗涤分离，烘干，得到氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。
实施例 2
将0.04 g自制的分级多孔碳分散于1 M硫酸溶液中，加热到60 ℃酸化6小时后，过滤，用去离子水洗涤至中性，60℃下烘8 小时得到酸化的分级多孔碳球。将0.04 g酸化的分级多孔碳分散在60 ml去离子水中，超声15分钟，使其充分分散。加入0.146 g Ni(NO3)2·6H2O，搅拌15分钟至均匀溶解，再加入0.351 g HMT，继续搅拌10分钟，得到混合液。最后将混合液转移到水热反应釜中，密封，80℃下反应12小时；待水热反应釜自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇过滤洗涤分离，烘干，得到氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。
用场发射扫描电子显微镜（JEOL JSM-6700F）和透射电子显微镜（JZM-2100）对上述实施例1制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料进行形貌表征，产物的扫描电镜照片和透射电镜照片分别如图1和图2所示。
将实施例1制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料、炭黑和聚四氟乙烯按质量比8∶1∶1混合均匀，加入少量的无水乙醇，混合、搅拌，制成粘稠状的浆料。取1*1 cm的泡沫镍作为集流体，在热台上将上述制备的浆料均匀地涂覆在泡沫镍的一面，将泡沫镍转移至80 ℃的烘箱内烘干30分钟，再将所得的电极片在10 MPa压力下保持1 分钟后，放入100 ℃烘箱烘干12小时。将上述制备的复合材料电极片作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，电解液为1 M KOH溶液组装成三电极测试体系，进行电化学性能的测试。在PARSTAT2273电化学工作站上进行循环伏安测试，测试电压区间为-0.05～0.65 V，结果如图3。进行恒流充放电性能测试，结果如图4。在循环伏安测试中，5 mV·s-1的扫描速率下，比电容达到2952 F·g-1。在20 A·g-1的电流密度下进行充放电测试，其比电容为1729 F·g-1，并在50 mV·s-1的扫描速率下循环1000次，其比电容保留81 %。
根据循环伏安曲线计算所制备的实施例1和实施例2的电极材料在不同扫描速率下的比电容值（单位F·g-1），结果如表1所示：
Figure 474301DEST_PATH_IMAGE001
。

Claims (5)

1.一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将分级多孔碳分散于1～3 M硫酸溶液中，在60～80℃下酸化6～8 小时后，过滤，用去离子水洗涤至中性，50～80℃下烘8～10小时得到酸化的分级多孔碳球；
（2）将0.01～0.06 g步骤（1）所述酸化的分级多孔碳球加入60～80 ml去离子水中，超声15～60 分钟，使其充分分散；
（3）将0.15 g～0.45 g六水合硝酸镍加入步骤（2）的分散体系中，搅拌15～30分钟至均匀溶解，再加入0.35 g～1.06 g六次甲基四胺，继续搅拌10～20分钟，得到混合液；
（4）将步骤（3）得到的混合液转移到水热反应釜中，密封，60～100℃下反应10～24小时；待水热反应釜自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇过滤洗涤分离，烘干，得到氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分级多孔碳球具有空心核和介孔壁，所述空心核的直径是300～600 nm，所述介孔壁的壁厚是25～60 nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述六次甲基四胺与所述六水合硝酸镍的摩尔比为1：0.25～1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料具有三层核壳结构，其中，核心是氢氧化镍，内壳层是具有介孔壁的多孔碳球，外壳层是薄片状的氢氧化镍，所述外壳层厚度为10～30 nm。
5.权利要求1至4任一所述的制备方法得到的所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的应用，其特征在于，所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料作为电极材料应用于超级电容器。
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