CN105161319A - 无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管负载镍钴氧化物电极材料的制备方法，包括步骤：清洗钛片；阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列；氩气气氛中焙烧，得到均匀无定形碳包覆及氧空位修饰的锐钛相纳米管；将无定形碳包覆及氧空位修饰的纳米管阵列放入硝酸镍、硝酸钴以及尿素的混合水溶液中化学浴沉积，得到前驱体；将前驱体放入管式炉中氩气气氛保护下焙烧得到最终产物。本发明采用化学浴技术在无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上均匀地负载上镍钴氧化物，且可通过调节前驱体硝酸镍和硝酸钴的摩尔浓度比例实现对复合电极材料电化学性能的优化；采用本发明的方法制备出的电极材料比电容高、循环性能好。

Description

无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法，尤其是利用氩气保护气氛焙烧处理在二氧化钛纳米管阵列中引入无定形碳和氧空位，以及进一步通过化学浴沉积法，在无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管上负载镍钴氧化物的方法。

背景技术

由于传统化石燃料大量消耗及其造成的越来越严重的环境污染问题，对于开发和研究高效率以及可持续发展的清洁能源越来越迫切。近年来，作为能量转化-储存-传输关系链中的核心部件，能量储存器件的重要性日益凸显。由于具备比电池更高的功率密度，比传统电容器更高的能量密度，以及循环寿命长、充放电速率快等优势，超级电容器吸引了大量的关注。在众多可用于超级电容器的金属氧化物/氢氧化物中，如NiO，Co₃O₄，MnO₂，Fe₃O₄等二元金属氧化物，RuO₂虽然具备高比电容(1580Fg^-1)以及高循环稳定性，但是自然界中Ru元素的稀缺和其具备的毒性极大程度地限制了其大范围的应用。相比于二元金属氧化物，三元金属氧化物由于具备两种金属元素组成而拥有更多的价态，从而可发生更多的氧化还原反应，得到相比于单金属氧化物更高的比电容。其中，NiCo₂O₄被认为是最理想的材料之一，NiCo₂O₄拥有两种金属氧化物的优势，其导电性及电化学活性远高于单一镍、钴氧化物，且具备更高的电化学活性。在NiCo₂O₄中，Ni²⁺被引入到Co₃O₄晶格，取代四面体中Co²⁺和八面体中Co³⁺，因此在电化学反应中NiCo₂O₄中Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原电子对可同时进行多电子反应，同时具有成本低廉，环境友好等优点，可作为理想的电极材料，具有巨大的应用价值。

近年来，二氧化钛基材料，特别是二氧化钛纳米管阵列，因其具备独特的物理化学性能、高度有序的结构、大的比表面积以及很强的离子交换或纳米粒子嵌入能力，而吸引较多的研究兴趣，而且二氧化钛纳米管阵列直接生长在金属钛基底上，与基底有较好的接触。但由于二氧化钛本身较差的电化学活性和导电性而限制了其进一步的应用。因此，许多研究致力于改善二氧化钛纳米管的缺陷，例如热处理、氢化、化学或电化学自掺杂以及碳化等方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用化学浴沉积技术在无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上均匀负载镍钴氧化物的电极材料，并通过调节前驱体溶液中硝酸镍与硝酸钴的摩尔浓度比例实现其电化学性能的优化，得到比容量高、循环性能好的电极材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法，包括以下步骤：其特征在于，包括以下几个步骤：

1)将纯度大于99.7％的钛片清洗、烘干；

2)以清洗烘干后的钛片作为阳极，以高纯石墨片作为阴极，通过阳极氧化法制备有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在300～550℃焙烧，获得无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入以Ni(NO₃)₂、Co(NO₃)₂和CO(NH₂)₂为溶质的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料在250～550℃焙烧1～3h，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

具体的是：

1)将纯度大于99.7％的1.5cm×5cm尺寸的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声5～30min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)以清洗烘干后的钛片作为阳极，以高纯石墨片作为阴极，置于0.05～0.45mol/LNH₄F和2～15vol％H₂O的乙二醇溶液中，在30～80V的电压下反应2～10h，获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧1～3h，升温速率1～5℃/min，焙烧温度为300～550℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为(1～4mmol/L)Ni(NO₃)₂+(5～2mmol/L)Co(NO₃)₂+30mmol/LCO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料。其中，化学浴沉积温度设定为70～90℃，沉积时间6～12h；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料放入氩气气氛中焙烧1～3h，焙烧温度250～550℃，升温速度1～5℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

进一步，将第2)步阳极氧化时用的反应槽放入冰水浴中，温度维持在10℃左右。

考虑到制备纳米管需要在乙二醇溶液中进行这一特点，纳米管生成后本身会均匀附着上乙二醇，将其在氩气气氛中煅烧时，乙二醇作为碳源被碳化而转化为无定形碳，同时还原性的氩气气氛可引入氧空位，成功地将二氧化钛纳米管包覆一层无定形碳，并且引入氧空位。相比于其他研究碳化时另外引入碳源煅烧更加节约材料、简化实验操作过程。

本发明所得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的结构示意图如图1所示。

无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管后，大大地提高了基底的导电性，后期利用化学浴沉积技术负载上活性物质镍钴氧化物，通过该工艺所获得的三维立体复合材料不使用粘结剂和导电剂，避免粘结过程中造成的“死面积”，而且所负载的活性物质可以和电解质充分接触，有效地增加了电子、离子的传输。所以，无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物复合材料是一种非常适用的电极材料。

本发明的有益效果是：

本发明通过将阳极氧化得到的二氧化钛纳米管在氩气气氛中焙烧，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管，克服了二氧化钛本身导电性差的缺点，后期利用化学浴沉积技术，制备了一种无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物的电极材料，且通过调整前驱体溶液中硝酸镍与硝酸钴的摩尔浓度比例，进一步优化所制备复合材料的电化学性能。这为设计及优化二元或三元金属氧化物的电化学性能提供了一种新的思路。

附图说明

图1为本发明所得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的结构示意图；

图2(a)为实施例1得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图2(b)为实施例1得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)；

图3(a)为实施例2得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图3(b)为实施例2得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)；

图4(a)为实施例3得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图4(b)为实施例3得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)；

图5(a)为实施例4得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图5(b)为实施例4得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)；

图6为实施例1～实施例4得到的电极材料的恒电流充放电曲线对比图(电流密度为2Ag^-1)。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

实施例1

1)将纯度大于99.7％的1.5cm×5cm尺寸的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声20min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)将清洗烘干后的钛片作为阳极，高纯石墨片作为阴极置于0.25mol/LNH₄F、7vol％H₂O的乙二醇溶液中，在60V的电压下反应6h；通过该步骤制备获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧3h，升温速率2℃/min，焙烧温度为450℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为1mmol/LNi(NO₃)₂+5mmol/LCo(NO₃)₂+30mmol/LCO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；其中，化学浴沉积温度设定为80℃，沉积时间10h；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料放入氩气气氛中焙烧2h，焙烧温度350℃，升温速度1℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

图2a为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图2b为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)。

实施例2

1)将纯度大于99.7％的1.5cm×5cm尺寸的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声20min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)将清洗烘干后的钛片作为阳极，高纯石墨片作为阴极置于0.25mol/LNH₄F、7vol％H₂O的乙二醇溶液中，在60V的电压下反应6h；通过该步骤制备获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧3h，升温速率2℃/min，焙烧温度为450℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为2mmol/LNi(NO₃)₂+4mmol/LCo(NO₃)₂+30mmol/LCO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；其中，化学浴沉积温度设定为80℃，沉积时间10h；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料放入氩气气氛中焙烧2h，焙烧温度350℃，升温速度1℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

图3a为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图3b为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)。

实施例3

1)将纯度大于99.7％的1.5cm×5cm尺寸的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声20min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)将清洗烘干后的钛片作为阳极，高纯石墨片作为阴极置于0.25mol/LNH₄F，7vol％H₂O的乙二醇溶液中，在60V的电压下反应6h；通过该步骤制备获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧3h，升温速率2℃/min，焙烧温度为450℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为3mmol/LNi(NO₃)₂+3mmol/LCo(NO₃)₂+30mmol/LCO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；其中，化学浴沉积温度设定为80℃，沉积时间10h；

5)将第4)步得到的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料放入氩气气氛中焙烧2h，焙烧温度350℃，升温速度1℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

图4a为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图4b为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)；

实施例4

1)将纯度大于99.7％的1.5cm×5cm尺寸的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声20min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)将清洗烘干后的钛片作为阳极、石墨作为阴极置于0.25mol/LNH₄F，7vol％H₂O的乙二醇溶液中，在60V的电压下反应6h；通过该步骤制备获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧3h，升温速率2℃/min，焙烧温度为450℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为4mmol/LNi(NO₃)₂+2mmol/LCo(NO₃)₂+30mmol/LCO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；其中，化学浴沉积温度设定为80℃，沉积时间10h；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列复合材料放入氩气气氛中焙烧2h，焙烧温度350℃，升温速度1℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

图5a为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(正面)；图5b为本实施例得到的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的表面FESEM照片(侧面)。

实施例5

为测试上述实施例所得电极材料的性能，做如下测试：

电化学测试采用三电极体系，饱和Ag/AgCl作为参比电极，Pt丝作为对电极，在2mol/LKOH溶液中、0～0.45V电势范围内、电流密度为2Ag^-1进行恒电流充放电测试，通过将实施例1～4制备的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的恒电流充放电曲线进行对比，可以发现，实施例3所得电极材料的放电时间是实施例1、2、4所得电极材料的2.2、1.2、1.7倍，实施例3所得电极材料的电化学性能优异，因此可作为理想的电极材料。

Claims (3)

1.无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1)将纯度大于99.7％的钛片清洗、烘干；

2)以清洗烘干后的钛片作为阳极，以高纯石墨片作为阴极，通过阳极氧化法制备有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在300～550℃焙烧，获得无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入以Ni(NO₃)₂、Co(NO₃)₂和CO(NH₂)₂为溶质的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料在250～550℃焙烧1～3h，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

2.根据权利要求1所述的无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1)将纯度大于99.7％的钛片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中分别超声5～30min，以去除其表面油污及氧化物，烘箱中烘干待用；

2)以清洗烘干后的钛片作为阳极，以高纯石墨片作为阴极，置于含0.05～0.45mol/LNH₄F和2～15vol％H₂O的乙二醇溶液中，在30～80V的电压下反应2～10h，获得有序排列的二氧化钛纳米管阵列；

3)将步骤2)获得的二氧化钛纳米管阵列在氩气气氛保护下焙烧1～3h，升温速率1～5℃/min，焙烧温度为300～550℃，得到无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列；

4)将步骤3)获得的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列浸入溶质组成为1～4mmol/L的Ni(NO₃)₂+5～2mmol/L的Co(NO₃)₂+30mmol/L的CO(NH₂)₂的混合水溶液中，采用化学浴沉积法将前驱体均匀地负载于无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列上，得到负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料；其中，化学浴沉积温度设定为70～90℃，沉积时间6～12h；

5)将步骤4)获得的负载有前驱体的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列电极材料放入氩气气氛中焙烧1～3h，焙烧温度250～550℃，升温速度1～5℃/min，即获得无定形碳包覆及氧空位修饰二氧化钛纳米管阵列负载镍钴氧化物电极材料。

3.根据权利要求2所述的无定形碳包覆及氧空位修饰的二氧化钛纳米管阵列负载钴镍氧化物电极材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中阳极氧化是在10℃的冰水浴中进行。