CN107195472A - 一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法。具体步骤如下：先称取六亚甲基四胺和钴盐溶液搅拌溶解混合均匀；再加热下进行反应；反应结束后，离心洗涤并干燥得到氢氧化钴纳米片，制备成电极用于超级电容器。本发明方法简单、成本低，制备的氢氧化钴活性电极材料比电容较高，电化学性能优良。

Description

一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
电化学超级电容器简称为超级电容器，具有比燃料电池、化学电池更优异的特点，其能量密度高于传统电容器，功率密度大于蓄电池和燃料电池，且充放电效率高，循环寿命长，且对环境无污染等特性。作为交叉学科的研究热点，超级电容器涉及到能源、化学、材料、电子器件等多个领域。同时，作为一种节能、绿色环保、成本低廉、电性能优良的新型储能器件，超级电容器在国防、移动通信、军工、轨道交通、电脑等民用领域有先天优势和广阔的应用前景。
根据储能机理的不同，超级电容器可分为电化学双电层超级电容器和赝电容超级电容器，其中赝电容超级电容器具有比双电层电容器更高的电容量和能量密度，在相同电极面积的情况下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。目前对金属氧化物电极赝电容电极材料的研究，主要集中在一些过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物，其中氢氧化钴独特的片状结构和良好的氧化还原反应活性，使其成为合适的电极材料。但目前对于氢氧化钴纳米片的合成主要包括水热法、老化法，这两种方法制备的氢氧化钴粒径不均匀，分散不均匀，厚度较大。
单层纳米材料较大的比表面积和独特的电化学性能使其在超级电容器方面受到广泛关注。但制备超氢氧化钴纳米片的技术研究受到阻碍，有待提高。研究开发一种操作简单、成本低廉的超氢氧化钴纳米片制备技术显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有制备超氢氧化钴纳米片技术的缺陷和氢氧化钴纳米片材料在超级电容器应用性能上的不足，提供一种氢氧化钴纳米片电极材料的制备方法.
本发明技术方案具体介绍如下。
一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法，具体步骤如下：首先将六亚甲基四胺溶液和钴盐溶液搅拌混合均匀，得到混合溶液；然后在惰性气氛保护下，将混合溶液加热进行反应，反应结束后离心洗涤或抽滤，干燥得到呈六边形的超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片。
优选的，钴盐溶液中的钴盐为硝酸盐，硫酸盐，醋酸盐或盐酸盐。
优选的，钴盐溶液的摩尔浓度为1.0～10mmol·L-1。
优选的，混合溶液中，六亚甲基四胺的摩尔浓度为50～150m mol·L-1。
优选的，加热的温度为50～120℃，加热时间为2～15h。更优选的，加热的温度为80～100℃，加热时间为4h～15h。
优选的，离心洗涤速率为4000～10000rpm；真空干燥温度为30～70℃。
将本发明制备的氢氧化钴纳米片应用在超级电容器方面，具体方法如下：
将活性物质研细，与乙炔里和聚四氟乙烯混合，加入乙醇作为溶剂，磁力搅拌12h，烘至呈黏糊状，取适量涂于泡沫镍上并烘干，测定其电化学性能。
和现有技术相比，本发明选用简单的可溶性钴盐和六亚甲基四胺，通过简单的加热制备出分散良好的单层氢氧化钴纳米片。电极材料电化学性能优良，比电容可达462F·g-1，在0.5A·g-1时放电时间在可达528s，且循环稳定性较好，在循环1000圈时效率可高达91.6％。
附图说明
图1为本发明中实施例1中所制备的氢氧化钴纳米片的X射线衍射图。
图2为本发明中实施例2中所制备的氢氧化钴纳米片的扫描电镜图。
图3为本发明中实施例2中所制备的氢氧化钴纳米材料电极的循环伏安图。
图4为本发明中实施例3中所制备的氢氧化钴纳米材料电极的恒电流充放电图。
图5为本发明中实施例4中所制备的氢氧化钴纳米片的扫描电镜图。
图6为本发明中实施例5中所制备的氢氧化钴纳米片的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明，但不仅限于如下所举实施例。
实施例1
本实施例说明以6.0mmol·L-1钴的盐酸盐和100mmol·L-1的六亚甲基四胺为原料制备氢氧化钴纳米片电极材料。
称取定量的六水合氯化钴，溶于1000mL去离子水中，配置成摩尔浓度为6.0mM的水溶液；随后称取定量的六亚甲基四胺倒于上述溶液中并搅拌均匀，其中六亚甲基四胺在钴盐溶液中的摩尔浓度为100mM；将上述溶液转移至三口瓶，在氮气氛围环境下，100℃的温度下搅拌反应4.0h；对回流产品在8000rpm下进行离心洗涤5次；置于45℃真空干燥箱中干燥24h。将得到的活性物质纳米材料研细，与乙炔里和聚四氟乙烯混合，其中m(活性物质)：m(乙炔里)：m(聚四氟乙烯)＝8：1：1，加入1mL乙醇作为溶剂，磁力搅拌12h，烘至呈黏糊状，取适量涂于泡沫镍上并烘干；以2M KOH作为电解液，Ag/AgCl作为参比电极，泡沫镍作为对比，通过电化学工作站测定其电化学性能。此实施例制备的氢氧化钴纳米片XRD图如图1，在2倍入射角为19.7°，34.3°，38.6°，52.1°，57.8°，60.4°，62.1°，68.3°和69.5°时，对应的氢氧化钴晶面分别为(001)，(100)，(101)，(110)，(003)，(111)，(013)，(112)，表明六边形氢氧化钴的形成；作为电极材料电化学性能优良，比电容可达371F·g-1，在0.5A·g-1时放电时间在可达438s，且循环稳定性较好，在循环1000圈时效率可高达90.5％。
实施例2
本实施例中，钴盐水溶液为2.0mM钴的盐酸盐；六亚甲基四胺在钴盐水溶液中的浓度为100mmol·L-1。
实施例2与实施例1的不同之处在于：称取定量的六水合氯化钴，溶于1000mL去离子水中，配置成摩尔浓度为2.0mM的水溶液；其余步骤与实施例1相同。得到的氢氧化钴呈片状六方体型，其SEM图如图2所示，具有明显的六边形结构，平均粒径为6μm；作为电极材料，在电流密度为0.5A g-1时，其比电容为439F·g-1，循环1000圈效率为88.3％。其循环伏安图如图3，表现明显的氧化还原峰。
实施例3
本实施例中，钴盐水溶液为2.0mM钴的硝酸盐；六亚甲基四胺在钴盐水溶液中的浓度为90mmol·L-1。
称取定量的六水合硝酸钴，溶于1000mL去离子水中，配置成摩尔浓度为2.0mM的水溶液；随后称取定量的六亚甲基四胺倒于上述溶液中并搅拌均匀，六亚甲基四胺摩尔浓度为90mM；其余步骤与实施例1相同。作为电极材料，其比电容为262F·g-1，在0.5A·g-1时放电时间为315s，循环1000圈效率为88.9％，图4为实施例3中所制备的氢氧化钴纳米材料电极的恒电流充放电图，充电及放电均表现三个不同阶段，是过渡金属氧化物的特征。
实施例4
本实施例中，钴盐水溶液为5.0mM钴的硫酸盐；六亚甲基四胺在钴盐水溶液中的浓度为90mmol·L-1。
称取定量的七水合硫酸钴，溶于1000mL去离子水中，配置成摩尔浓度为5.0mM的水溶液；随后称取定量的六亚甲基四胺倒于上述溶液中并搅拌均匀，六亚甲基四胺摩尔浓度为90mM；搅拌加热温度为90℃；其余步骤与实施例1相同。其扫描电镜图见图5，相对实施例2，六边形粒径变小，平均粒径为4μm。作为电极材料，其比电容为398F·g-1，循环1000圈效率为87.6％。
实施例5
本实施例中，钴盐水溶液为5.0mM钴的盐酸盐溶液；六亚甲基四胺在钴盐水溶液中的浓度为80mmol·L-1。
称取定量的六水合氯化钴，溶于1000mL去离子水中，配置成摩尔浓度为5.0mM的水溶液；随后称取定量的六亚甲基四胺倒于上述溶液中并搅拌均匀，其中六亚甲基四胺摩尔浓度为80mM；搅拌加热时间为15h；真空干燥温度为60℃；其余步骤与实施例1相同。其扫描电镜图见图6，总体上仍为六边形形貌。作为电极材料，其比电容为329F·g-1，循环1000圈效率为82.8％。

Claims (6)

1.一种超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：首先将六亚甲基四胺溶液和钴盐溶液搅拌混合均匀，得到混合溶液；然后在惰性气氛保护下，将混合溶液加热进行反应，反应结束后离心洗涤或抽滤，干燥得到呈六边形的超级电容器电极材料氢氧化钴纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，钴盐溶液中的钴盐为硝酸盐，硫酸盐，醋酸盐或盐酸盐。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，钴盐溶液的摩尔浓度为1.0～10mmol·L-1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，混合溶液中，六亚甲基四胺的摩尔浓度为50～150m mol·L-1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，加热的温度为50～120℃，加热时间为2～15h。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，加热的温度为80～100℃，加热时间为4h～15h。
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