CN105023769A - 一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法 - Google Patents

一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，它涉及一种NiCo2S4纳米颗粒在碳纳米管/泡沫镍上电化学沉积复合的制备方法。首先制备碳纳米管/泡沫镍基体：将碳纳米管、60wt%的聚四氟乙烯、乙醇按一定的比例搅拌均匀后涂覆在泡沫镍的表面，80℃真空烘干后得到碳纳米管/泡沫镍基体；然后配制电沉积液：将Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O和硫代乙酰胺按比例溶于蒸馏水中搅拌均匀得到电沉积液；最后以碳纳米管/泡沫镍基体为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，利用循环伏安法在电沉积液中电化学沉积得到NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。本发明方法得到复合电极材料NiCo2S4与碳纳米管的结合力大，作为超级电容器电极时具有较高的比电容值和良好的电化学性能稳定性。

Description

一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种NiCo2S4纳米颗粒在碳纳米管/泡沫镍上电化学沉积复合的制备方法。
背景技术
近年来，超级电容器因其具有高功率密度、充电短时间和循环寿命长等诸多优点而受到广泛关注。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，以RuO2等贵金属氧化物因其赝电容原理有较大的比电容值，但昂贵的价格和毒性限制了其商业化应用。一些廉价金属硫化物代替贵金属作为超级电容器电极材料成为研究热点。NiCo2S4是一种典型的尖晶石结构复合金属硫化物，存在Co3+/Co2+及Ni3+/Ni2+氧化还原电对，可以获得较高的工作电压窗口和比电容值，同时因其廉价无毒表现为极具潜力的电极材料，因此不同结构、形态、尺寸的NiCo2S4的制备受到了众多研究人员的关注（如Chen等, Nanoscale, 2013,5(19),8879; Wan等, Crystengcomm, 2013,15(38),7649; Chen等, ACS Nano, 2014,8(9),9531; Zhang等, Nanoscale, 2014,6(16),9824; Pu等, ACS Sustain. Chem. Eng. 2014,2(4),809; Zhu等, J. Power. Sources. 2015,273,584）。然而NiCo2S4作为电极材料运用于超级电容器的时候，往往存在一个问题—材料的电阻过大，导电性偏低，导致超级电容器在大电流密度下充循环冲放电不够稳定。因而，需要以一定的方式将碳材料加入到NiCo2S4电极材料中，来提高电极材料的导电性，以达到增强其电化学性能的目的。如Peng等用原位法制备NiCo2S4/石墨烯复合材料（Chemical Communications, 2013,49(86),10178）; Xiao等在碳纤维上生长NiCo2S4纳米管（Nano Letter, 2014,14(2), 831）; Wu等一步合成了NiCo2S4/氧化石墨复合材料（J Mater. Chem. A, 2014,2(48),20990）; Ding等制备了NiCo2S4/碳布复合材料（RSC Advances, 2015,5(60),48631）等。
碳纳米管（CNTs）具有特殊的一维中空的纳米结构，具有优良的导电性能。但CNTs单独作为超级电容器电极材料比电容值过低，一般只有40F/g。将碳纳米管与碳纳米管组成复合电极材料，两者可以取长补短，有望得到具有高比电容、高导电率、循环充放电稳定的超级电容器电极材料。
NiCo2S4与石墨烯、氧化石墨、碳纤维、碳布等碳材料的复合运用于超级电容器领域已有报道，但未见到NiCo2S4与碳纳米管形成复合电极材料应用于超级电容器领域的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，该方法制备得到复合电极材料NiCo2S4与碳纳米管的结合力大，可以提高超级电容器电极材料的比电容和循环充放电稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤。
一、制备碳纳米管/泡沫镍基体：首先将经稀盐酸、丙酮、无水乙醇超声清洗过的泡沫镍剪裁为1*2cm；然后按质量分数比为碳纳米管:聚四氟乙烯=95:5称取样品溶于无水乙醇中搅拌成浆状后均匀涂覆在1*2cm泡沫镍的表面，80℃真空烘干后得到碳纳米管/泡沫镍基体；其中碳纳米管负载在泡沫镍上的质量为2~4mg/cm3。
二、配制电沉积液：将Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O溶于蒸馏水中配制成含Ni2+/Co2+摩尔比为1:2的混合金属溶液，再加入过量的硫代乙酰胺，搅拌均匀得到电沉积液。
三、以碳纳米管/泡沫镍基体为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电沉积液在60~80℃水浴中利用循环伏安法进行电化学沉积，其中扫描速率为5~20mV/s，电压范围为-1.0~0V，扫描圈数为10~50圈，得到NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。
本发明优点：本发明方法本发明方法得到复合电极材料NiCo2S4与碳纳米管的结合力大，作为超级电容器电极时具有较高的比电容值和良好的电化学性能稳定性。
本发明采用X射线衍射技术（XRD）分析本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的物相，采用透射电子显微镜（TEM）表征本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的微观结构，采用电化学工作站来测试本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的电化学性能，可知本发明成功制备出了具有较高的比电容值和良好的电化学性能稳定性的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。
附图说明
图1是实施方式一制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的XRD曲线图，证实制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料含有NiCo2S4物相、碳纳米管物相和泡沫镍。
图2是实施方式一制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的TEM图，通过图2可知本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料形成了NiCo2S4在碳纳米管上的有效负载。
图3是实施方式一制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的循环伏安曲线图，通过图3可知本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料表现出良好的循环伏安特性和Co3+/Co2+及Ni3+/Ni2+氧化还原峰。
图4是实施方式一制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的恒流充放电曲线图，通过图4可知本发明制备的NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料在电流密度为1A/g、2A/g、4A/g、8A/g下的比电容值分别为1716.8F/g、1568F/g、1487.6F/g、1344.4F/g。
具体实施方式
面是结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
具体实施方式一：一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的。
一、制备碳纳米管/泡沫镍基体：首先将经稀盐酸、丙酮、无水乙醇超声清洗过的泡沫镍剪裁为1*2cm；称取碳纳米管50mg、60wt%的聚四氟乙烯4.5mg溶于10ml无水乙醇中搅拌成浆状后均匀涂覆在1*2cm泡沫镍的表面，80℃真空烘干后得到碳纳米管/泡沫镍基体；其中碳纳米管负载在泡沫镍上的质量为2mg/cm3。
二、配制电沉积液：将1mmol Ni(NO3)2·6H2O和2mmol Co(NO3)2·6H2O溶于100ml蒸馏水中配制成含Ni2+/Co2+摩尔比为1:2的混合金属溶液，再加入30mmol的硫代乙酰胺，搅拌均匀得到电沉积液。
三、以步骤一制得的碳纳米管/泡沫镍基体为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电沉积液在60℃水浴中利用循环伏安法进行电化学沉积，其中扫描速率为5mV/s，电压范围为-1.0~0V，扫描圈数为20圈，得到NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。
具体实施方式二：一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的。
一、制备碳纳米管/泡沫镍基体：首先将经稀盐酸、丙酮、无水乙醇超声清洗过的泡沫镍剪裁为1*2cm；称取碳纳米管50mg、60wt%的聚四氟乙烯4.5mg溶于10ml无水乙醇中搅拌成浆状后均匀涂覆在1*2cm泡沫镍的表面，80℃真空烘干后得到碳纳米管/泡沫镍基体；其中碳纳米管负载在泡沫镍上的质量为4mg/cm3。
二、配制电沉积液：将2mmol Ni(NO3)2·6H2O和4mmol Co(NO3)2·6H2O溶于100ml蒸馏水中配制成含Ni2+/Co2+摩尔比为1:2的混合金属溶液，再加入100mmol的硫代乙酰胺，搅拌均匀得到电沉积液。
三、以步骤一制得的碳纳米管/泡沫镍基体为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电沉积液在80℃水浴中利用循环伏安法进行电化学沉积，其中扫描速率为20mV/s，电压范围为-1.0~0V，扫描圈数为50圈，得到NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。

Claims (4)

1.一种NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：一、制备碳纳米管/泡沫镍基体：首先将经稀盐酸、丙酮、无水乙醇超声清洗过的泡沫镍剪裁为1*2cm；然后称取碳纳米管、60wt%的聚四氟乙烯溶于无水乙醇中搅拌均匀后涂覆在1*2cm泡沫镍的表面，80℃真空烘干后得到碳纳米管/泡沫镍基体；二、配制电沉积液：将Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O溶于蒸馏水中配制成含Ni2+/Co2+摩尔比为1:2的混合金属溶液，再加入过量的硫代乙酰胺，搅拌均匀得到电沉积液；三、以碳纳米管/泡沫镍基体为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电沉积液在60~80℃水浴中利用循环伏安法进行电化学沉积得到NiCo2S4/碳纳米管复合电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管/泡沫镍基体中，碳纳米管与聚四氟乙烯的质量分数比为95:5；碳纳米管负载在泡沫镍上的质量为2~4mg/cm3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的电沉积液中，Ni2+和Co2+的浓度为0.01~0.1mol/L，硫代乙酰胺与混合金属溶液中Ni2+和Co2+的总的物质的量的比为10~20:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的循环伏安电化学沉积中，扫描速率为5~20mV/s，电压范围为-1.0~0V，扫描圈数为10~50圈。
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