CN105957726A - 一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学电池领域，具体是涉及一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其作为电极材料的应用，制备方法主要包括无磁场时β‑Co(OH)2材料的制备、临界磁场条件下α‑Co(OH)2和β‑Co(OH)2两相共存时的制备以及2T磁场强度下α‑Co(OH)2的制备。本发明2T磁场强度下制备的α‑Co(OH)2具有典型的片状结构、优异的电容存储能力(1A g‑1和10A g‑1时的比电容分别是719F g‑1和568F g‑1)以及非常稳定的充放电循环性能(1A g‑1条件下循环1500次后的比电容仍能保持90.8％)。本发明的制备方法工艺简单，易于实现工业化生产。

Description

一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及电化学电池领域，具体是涉及一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其作为电极材料的应用。
背景技术
超级电容器作为近些年来热门研究的一种性能优异的新型储能装置，其核心技术是电极材料。目前受到广泛关注的电极材料主要有以下三类：(1)碳电极材料；(2)金属氧化物电极材料；(3)导电聚合物电极材料。碳电极材料依靠双电层来储存电荷，但其导电性较差，正极比容量相对较低，使得整体性能受到影响，已经不能够满足如今超级电容器作为新能源的要求。导电聚合物价格低廉，但比电容小，热稳定性差，且化学稳定性不高，不适合长时间多次循环。目前，具有较好电容特性的典型代表为氧化钌，虽然其比容量很高，但价格昂贵，大规模商业应用受到限制。因此寻找理想的新型电极材料或利用合适的方法来提高现有电极材料的电容性能是该领域的主要研究目标。
层状氢氧化钴，是一种类水滑石材料，具有组成与结构的可调变性，以及层间阴离子可交换等性能。因其具有资源丰富、环境友好、较大层间距、循环稳定性高、导电良好等多种优点，而成为近年来人们研究较多的电极材料。Co(OH)2通常是粉红色或绿色的粉末物质，具有两种晶体结构，α型和β型，α型可插入阴离子，其层间距远高于β型，因而具有更加优异的电化学活性。但单晶α型Co(OH)2因其为介稳相，在制备过程中或在碱性介质中工作时，易转变成β型，较难合成。科研人员已尝试了很多方法来制备α型和β型Co(OH)2粒子。目前，主要存在一个问题，既缺少一种同一体系中能够便捷却又能选择性合成α型和β型Co(OH)2纳米粒子的制备手段。因此，有必要发展一种环保、低廉又便捷的调控Co(OH)2纳米粒子物相的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的技术难题，本发明的目的之一在于：提供一种磁场调控制备的Co(OH)2电极材料，通过调节外界磁场的强度对不同物相Co(OH)2进行相变调控，使其具有非常优异的电化学性能，能够作为电极材料应用于超级电容器中。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)以蒸馏水为溶剂，将1.5～2.5mmol六水合氯化钴和0.1～0.3gPVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌10～20min；
(2)向步骤(1)的溶液中加入0.5～1.5mL水合肼，磁力搅拌10～20min后将所得溶液加入到不同磁场条件下内衬聚四氟乙稀的高压釜中；
(3)将高压釜扣紧，置于160～200℃的烘箱中反应6～10h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物；
(4)将收集的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在50～70℃的条件下干燥，得到不同物相Co(OH)2材料；
其中，当高压釜中无磁场时，得到β-Co(OH)2材料；当高压釜中内置强度为0.15～0.25T的磁场时，得到α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存的材料；当高压釜中内置强度为2T的磁场时，得到α-Co(OH)2材料。
优选地，步骤(1)中加入的六水合氯化钴的物质的量为2.0mmol，加入的PVP的质量为0.2g，磁力搅拌15min。
优选地，步骤(2)中加入的水合肼的体积为1.0ml，磁力搅拌时间为15min。
优选地，步骤(3)中高压釜扣紧，置于温度为180℃的烘箱中反应8h。
优选地，步骤(4)中干燥温度为60℃。
优选地，所述的强度为2T的磁场是由2T超导磁体提供的。
优选地，所述的强度为0.15～0.25T的磁场是由两块厚度为1cm圆形的NdFeB磁铁提供。
优选地，当高压釜中内置强度为0.15～0.25T的磁场时，得到的α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存材料中α-Co(OH)2和β-Co(OH)2的质量比范围为1:2～2:1。
优选地，所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的应用，用于超级电容器的电极材料。
本发明的有益效果在于：本发明的磁场调控制备的Co(OH)2电极材料，具有非常优异的电化学性能，特别对于2T磁场强度下制备的α-Co(OH)2，其电容存储能力较强(1A g-1和10Ag-1时的比电容分别是719F g-1和568F g-1)，充放电循环性能非常稳定(1A g-1条件下循环1500次后的比电容仍能保持90.8％)，适合作为超级电容器的电极材料。本发明的制备方法工艺简单，安全经济、易于实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明的方法制备而成的β-Co(OH)2相(样品S0)、α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存(样品S0.2T)和α-Co(OH)2相(样品S2.0T)的XRD图；
图2是中(a)(b)(c)分别是本发明的方法制备而成的β-Co(OH)2相、α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存和α-Co(OH)2相的SEM图；
图3是实施例1所制备而成的β-Co(OH)2相(样品S0)、α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存(样品S0.2T)和α-Co(OH)2相(样品S2.0T)的CV曲线图；
图4是实施例1-3所制备的α-Co(OH)2相(分别即为样品1、2和3)在电流密度为1A g-1下的充放电曲线。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和实施例对本发明的构思作进一步的说明。同时，说明书中所涉及的各种原料，均购自市场。
实施例1
无磁场时β-Co(OH)2材料的制备：
将2.0mmol六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)和0.2g PVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌15min。随后向其中加入1.0mL水合肼(N2H4·H2O)，磁力搅拌15min后，将所得的粉红色溶液加入到容积为60mL的内衬聚四氟乙稀的高压釜中。将反应釜扣紧，置于180℃的烘箱中反应8h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物，将得到的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在60℃的条件下干燥，得到粉色粉末，即为β-Co(OH)2材料。
临界磁场条件下α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存时的制备：
将2.0mmol六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)和0.2g PVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌15min。随后向其中加入1.0mL水合肼(N2H4·H2O)，磁力搅拌15min后，将所得的粉红色溶液加入到容积为60mL的内衬聚四氟乙稀的高压釜中，反应釜中内置强度为0.2T的磁场(磁场由两块厚度为1cm圆形的NdFeB磁铁提供)。置于180℃的烘箱中反应8h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物，将得到的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在60℃的条件下干燥，得到粉色与绿色的混合粉末，即为α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存材料(其中α-Co(OH)2和β-Co(OH)2的质量比范围为1:2～2:1)。
2T磁场强度下α-Co(OH)2材料的制备：
将2.0mmol六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)和0.2g PVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌15min。随后向其中加入1.0mL水合肼(N2H4·H2O)，磁力搅拌15min后，将所得的粉红色溶液加入到容积为60mL的内衬聚四氟乙稀的高压釜中。将反应釜扣紧，置于强度为2T的磁场中(磁场由2T超导磁体提供)，于180℃的烘箱中反应8h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物，将得到的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在60℃的条件下干燥，得到绿色粉末,即为α-Co(OH)2材料，标记为样品1。
不同条件下制备的材料的XRD图、SEM图请参阅图1和图2。
如图3为不同条件下制备的材料的的CV曲线图，从图3可以看出：本发明制备而成的材料可以作为的超级电容器电极材料，特别是2T磁场强度下α-Co(OH)2材料，充放电性能最优。
如图4所示：2T磁场强度下制备的α-Co(OH)2的电化学性质最为优异，其1Ag-1的比电容分别高达719F g-1。
实施例2
2T磁场强度下α-Co(OH)2材料的制备：
将1.5mmol六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)和0.1g PVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌15min。随后向其中加入0.5mL水合肼(N2H4·H2O)，磁力搅拌15min后，将所得的粉红色溶液加入到容积为60mL的内衬聚四氟乙稀的高压釜中。将反应釜扣紧，置于强度为2T的磁场中(磁场由2T超导磁体提供)，于160℃的烘箱中反应6h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物，将得到的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在60℃的条件下干燥，得到绿色粉末,即为α-Co(OH)2材料，标记为样品2。
如图4所示，2T磁场强度下制备的α-Co(OH)2的电化学性质最为优异，其1Ag-1的比电容分别高达677F g-1。
实施例3
2T磁场强度下α-Co(OH)2材料的制备：
将2.5mmol六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)和0.3g PVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌15min。随后向其中加入1.5mL水合肼(N2H4·H2O)，磁力搅拌15min后，将所得的粉红色溶液加入到容积为60mL的内衬聚四氟乙稀的高压釜中。将反应釜扣紧，置于强度为2T的磁场中(磁场由2T超导磁体提供)，于200℃的烘箱中反应10h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物，将得到的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在60℃的条件下干燥，得到绿色粉末,即为α-Co(OH)2材料，标记为样品3。
如图4所示，2T磁场强度下制备的α-Co(OH)2的电化学性质最为优异，其1Ag-1的比电容分别高达650F g-1。
以上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。

Claims (9)

1.一种磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以蒸馏水为溶剂，将1.5～2.5mmol六水合氯化钴和0.1～0.3gPVP溶解在蒸馏水中，磁力搅拌10～20min；
(2)向步骤(1)的溶液中加入0.5～1.5mL水合肼，磁力搅拌10～20min后将所得溶液加入到不同磁场条件下内衬聚四氟乙稀的高压釜中；
(3)将高压釜扣紧，置于160～200℃的烘箱中反应6～10h，反应完成后自然冷却到室温，采用离心的办法收集产物；
(4)将收集的产物用蒸馏水和酒精充分交叉洗涤，在50～70℃的条件下干燥，得到不同物相Co(OH)2材料；
其中，当高压釜中无磁场时，得到β-Co(OH)2材料；当高压釜中内置强度为0.15～0.25T的磁场时，得到α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存的材料；当高压釜中内置强度为2T的磁场时，得到α-Co(OH)2材料。
2.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中加入的六水合氯化钴的物质的量为2.0mmol，加入的PVP的质量为0.2g，磁力搅拌15min。
3.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中加入的水合肼的体积为1.0ml，磁力搅拌时间为15min。
4.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中高压釜扣紧，置于温度为180℃的烘箱中反应8h。
5.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中干燥温度为60℃。
6.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：所述的强度为2T的磁场是由2T超导磁体提供的。
7.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：所述的强度为0.15～0.25T的磁场是由两块厚度为1cm圆形的NdFeB磁铁提供。
8.根据权利要求1所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法，其特征在于：当高压釜中内置强度为0.15～0.25T的磁场时，得到的α-Co(OH)2和β-Co(OH)2两相共存材料中α-Co(OH)2和β-Co(OH)2的质量比范围为1:2～2:1。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的磁场调控不同物相Co(OH)2材料的应用，其特征在于：用于超级电容器的电极材料。
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