CN107665774B - 一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料及其制备方法。首先利用偏六磷酸钠对天然埃洛石纳米管进行预处理,除去易于团聚的埃洛石纳米管,然后利用硅烷偶联剂KH‑590对埃洛石纳米管进行表面处理,得到巯基修饰的埃洛石纳米管,再将巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍在乙醇溶液中混合均匀,加入硫脲和氨水进行反应,在埃洛石纳米管表面负载二硫化三镍,最终制得埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。本发明的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料制备成本较低,反应温和,易于制备,具有较高的比电容,作为电极材料在超级电容器中展现了极大的应用潜能。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料的制备领域,具体涉及一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料及其制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型储能装置,具有能量密度高、功率密度大、充电速度快、循环寿命长、环境友好等优点。因此,高功率密度、高能量密度以及循环稳定性良好的超级电容器电极活性材料的研究成为了热点(Patrice Simon,et.al.Where do batteries endand supercapacitors begin?Science,2014,343,1210-1211)。
过渡金属氧化物、硫化物具有很好的赝电容特性,其中,硫化镍(NiS)因其形貌的多样化、高稳定性以及高比电容受到了广泛关注。除NiS之外,NiS2,Ni3S2以及Ni3S4等其它形式的硫化物也相继被开发,并在电化学电容器领域展现了良好的应用前景(R.D.Apostolova,et.al.Electrolytic Nickel Sulfide in a Model ElectrochemicalCapacitor.Russian Journal of Applied Chemistry,2012,85,612-615)。Dai等以多壁碳纳米管为基底,通过水热法原位负载二硫化三镍,将制得的Ni3S2/MWCNTs作为电极材料,以2M的KOH为电解液,在3.2A/g的电流密度下比电容达800F/g,但是碳纳米管价格高且存在潜在毒性,限制了其实际应用(Chaoshuan Dai,et.al.Hierarchically Structured Ni3S2/Carbon Nanotube Composites as High Performance Cathode Materials forAsymmetric Supercapacitors.ACS Applied Materials&Interfaces,2013,5,12168-12174)。
埃洛石纳米管是一种天然的储量丰富的多孔材料,具有形态完整的中空管状结构,其长度为0.5-1μm,外径为50-70nm,内径约为15nm,具有比表面积高、孔隙率大、表面化学结构可调节等优点,其特殊的结构使其作为超级电容器电极材料有着广阔的发展空间。Yang等首先利用3-氨丙基三乙氧基硅烷制备出氨基功能化的埃洛石,之后原位负载聚吡咯得到埃洛石/聚吡咯复合材料,其在0.5M Na2SO4的电解液中,在5mA/cm2的电流密度下,比电容达到522F/g,比电容低(Chao Yang,et.al.Preparation and characterization ofcoaxial halloysite/polypyrrole tubular nanocomposites for electrochemicalenergy storage.Electrochimica Acta,2010,55,6857-6864)。Zhang等以埃洛石为基底,首先利用葡萄糖水热、煅烧包裹一层碳,之后负载二氧化锰,得到HNTs@C/MnO2复合材料,其在1M Na2SO4的电解液中,在1.25mA/cm2的电流密度下,比电容仅有274F/g(Wenbo Zhang,et.al.Halloysite nanotubes induced synthesis of carbon/manganese dioxidecoaxial tubular nanocomposites as electrode materials forsupercapacitors.Journal of Solid State Electrochemistry,2015,19,1257-1263)。因此,到目前为止,埃洛石复合材料作为超级电容器电极材料,其电化学特性还有待提高,埃洛石作为基底材料的优势仍有待挖掘。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以廉价易得的埃洛石纳米管为基底,通过水热法一步合成埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备方法,具体步骤如下:
步骤1,将天然埃洛石纳米管在偏六磷酸钠溶液中超声分散,静置后取上层悬浊液,洗涤烘干得到埃洛石纳米管;
步骤2,将质量比为1:2~1:2.5的埃洛石纳米管和硅烷偶联剂KH-590分散在甲苯中,氮气保护下,在80~100℃下反应,洗涤干燥后得到巯基埃洛石;
步骤3,将质量比为1:1.5~4.5:3~10的巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍加入到85%~95%的乙醇溶液中,超声处理0.5~1h,得到混合溶液;
步骤4,将与巯基埃洛石的质量比为1~4:1的硫脲和与巯基埃洛石质量比为15~45:1的氨水加入到步骤3中得到的混合溶液中,搅拌均匀后,在120℃~200℃下水热反应8h~16h,反应结束后离心、洗涤、干燥,得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
优选地,步骤1中,所述的天然埃洛石与偏六磷酸钠的质量比为1:0.005。
优选地,步骤3中,巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍的质量比为1:3.5~4:4~5。
优选地,步骤4中,巯基埃洛石与硫脲的质量比为1:3~3.5,巯基埃洛石与氨水的质量比为1:35~37。
优选地,步骤4中,水热反应时间为11~13h,水热反应温度为170~190℃。
本发明所述的巯基埃洛石系指经巯基修饰的埃洛石纳米管。
与现有技术相比,本发明具有以下显著效果:(1)采用廉价易得的天然埃洛石作为原料,制备过程简便且反应温和,毒性小;(2)天然埃洛石的内壁表面含Al-OH基团,管外壁含O-Si-O基团,能够与硅烷偶联剂稳定结合,经KH-590硅烷化处理后,巯基埃洛石更易于结合金属阳离子,利于二硫化三镍在埃洛石纳米管表面进行生长,增加二硫化三镍的负载量;(3)利用高比表面积的埃洛石作为基底生长二硫化三镍,防止了二硫化三镍的团聚,增大了与电解液的接触面积,增多了离子扩散的通道;(4)本发明方法制备得到的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料具有很高的比电容,在1A/g的电流密度下能达到2253F/g。
附图说明
图1为本发明的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备流程示意图。
图2为巯基埃洛石(a)和巯基埃洛石/二硫化三镍(b)的扫描电镜图。
图3为巯基埃洛石(a)和巯基埃洛石/二硫化三镍(b)的透射电镜图。
图4为埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料在不同扫描速度下的循环伏安曲线图。
图5为实施例1制得的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料在1A/g电流密度下的恒电流充放电曲线图。
具体实施方式
图1为本发明的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备流程示意图,首先利用偏六磷酸钠对天然埃洛石纳米管进行预处理,除去易于团聚的埃洛石纳米管,然后利用硅烷偶联剂KH-590对埃洛石纳米管进行表面处理,得到巯基修饰的埃洛石纳米管,再将巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍在乙醇溶液中混合均匀,加入硫脲和氨水进行反应,在埃洛石纳米管表面负载二硫化三镍,最终制得埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料,具体步骤如下:
步骤1,将天然埃洛石纳米管在偏六磷酸钠溶液中超声分散,静置后取上层悬浊液,洗涤烘干得到埃洛石纳米管;
步骤2,将质量比为1:2~1:2.5的埃洛石纳米管和硅烷偶联剂KH-590分散在甲苯中,氮气保护下,在80~100℃下反应,洗涤干燥后得到巯基埃洛石;
步骤3,将质量比为1:1.5~4.5:3~10的巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍加入到乙醇溶液中,超声处理0.5~1h,得到混合溶液;
步骤4,将与巯基埃洛石的质量比为1~4:1的硫脲和与巯基埃洛石质量比为15~45:1的氨水加入到步骤3中得到的混合溶液中,搅拌均匀后,在120℃~200℃下水热反应8h~16h,反应结束后离心、洗涤、干燥,得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
优选地,步骤1中,所述的天然埃洛石与偏六磷酸钠的质量比为1:0.005。
优选地,步骤3中,巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍的质量比为1:3.5~4:4~5。
优选地,步骤4中,巯基埃洛石与硫脲的质量比为1:3~3.5,巯基埃洛石与氨水的质量比为1:35~37。
优选地,步骤4中,水热反应时间为11~13h,水热反应温度为170~190℃。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备方法,包括以下步骤:
第一步,将偏六磷酸钠(0.05wt%)与天然埃洛石纳米管(10wt%)的混合溶液超声1h后静置20min,取上层液体,离心后用水洗涤三次,50℃下真空干燥6h;
第二步,取10mL干燥的甲苯,加入2mL KH-590和1g预处理过的埃洛石纳米管,氮气氛围下90℃反应过夜,离心,用乙醇洗涤数次,室温干燥,得到巯基修饰的埃洛石;
第三步,将0.2g巯基埃洛石分散至乙醇与水的混合溶剂中,其中,乙醇45mL,水5mL,随后加入0.975g六水氯化镍和0.45g葡萄糖,超声1h;
第四步,在第三步的溶液中加入0.38g硫脲和5mL的25%~28%氨水,搅拌均匀,转移到不锈钢反应釜中,180℃下水热反应12h,反应结束后用水和乙醇分别洗涤数次,干燥后得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
本实施例制备得到的超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为2253F/g。
实施例2
本实施例与实施例1唯一不同的是第三步中巯基埃洛石的加入量为0.1g,其他与实施例1相同。
本实施例制备得到的巯基埃洛石/二硫化三镍复合材料作为超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为1980F/g。
实施例3
本实施例与实施例1唯一不同的是第三步中巯基埃洛石的加入量为0.3g,其他与实施例1相同。
本实施例制备得到的巯基埃洛石/二硫化三镍复合材料作为超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为1752F/g。
实施例4
本实施例与实施例1唯一不同的是第三步中巯基埃洛石的加入量为0.195g,其他与实施例1相同。
本实施例制备得到的巯基埃洛石/二硫化三镍复合材料作为超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为2125F/g。
实施例5
本实施例与实施例1唯一不同的是第三步中巯基埃洛石的加入量为0.245g,其他与实施例1相同。
本实施例制备得到的巯基埃洛石/二硫化三镍复合材料作为超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为2040F/g。
实施例6
一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备方法,包括以下步骤:
第一步,将偏六磷酸钠(0.05wt%)与天然埃洛石纳米管(10wt%)的混合溶液超声1h后静置20min,取上层液体,离心后用水洗涤三次,50℃下真空干燥6h;
第二步,取10mL干燥的甲苯,加入2mL KH-590和1g预处理过的埃洛石纳米管,氮气氛围下90℃反应过夜,离心,用乙醇洗涤数次,室温干燥,得到巯基修饰的埃洛石;
第三步,将0.2g巯基埃洛石分散至乙醇与水的混合溶剂中,其中,乙醇45mL,水5mL,随后加入0.975g六水氯化镍和0.45g葡萄糖,超声1h;
第四步,在第三步的溶液中加入0.38g硫脲和5mL的25%-28%氨水,搅拌均匀,转移到不锈钢反应釜中,180℃下水热反应8h,反应结束后用水和乙醇分别洗涤数次,干燥后得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
本实施例制备得到的超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为1785F/g。
实施例7
本实施例与实施例6唯一不同的是第四步中反应时间为16h,其他与实施例6相同。本实施例制备得到的巯基埃洛石/二硫化三镍复合材料作为超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为2010F/g。
实施例8
一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备方法,包括以下步骤:
第一步,将偏六磷酸钠(0.05wt%)与天然埃洛石纳米管(10wt%)的混合溶液超声1h后静置20min,取上层液体,离心后用水洗涤三次,50℃下真空干燥6h;
第二步,取10mL干燥的甲苯,加入2mL KH-590和1g预处理过的埃洛石纳米管,氮气氛围下90℃反应过夜,离心,用乙醇洗涤数次,室温干燥,得到巯基修饰的埃洛石;
第三步,将0.2g巯基埃洛石分散至乙醇与水的混合溶剂中,其中,乙醇45mL,水5mL,随后加入0.975g六水氯化镍和0.45g葡萄糖,超声1h;
第四步,在第三步的溶液中加入0.38g硫脲和5mL的25%-28%氨水,搅拌均匀,转移到不锈钢反应釜中,120℃下水热反应12h,反应结束后用水和乙醇分别洗涤数次,干燥后得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
本实施例制备得到的超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为1620F/g。
实施例9
本实施例与实施例8唯一不同的是第四步中反应温度为200℃,其他与实施例8相同。
本实施例制备得到的超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为2050F/g。
实施例10
本实施例与实施例8唯一不同的是第四步中反应温度为160℃,其他与实施例8相同。
本实施例制备得到的超级电容器电极材料在1A/g的电流密度下比电容为1990F/g。
图2为巯基埃洛石(a)和巯基埃洛石/二硫化三镍(b)(即埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料)的扫描电镜图,对比可知,b图中埃洛石的表面由光滑变为粗糙,证明了二硫化三镍的成功负载。
图3为巯基埃洛石(a)和巯基埃洛石/二硫化三镍(b)的透射电镜图,两图与图2的变化一致,可以看出,颗粒状的二硫化三镍均匀负载在埃洛石的表面。
图4为埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料在不同扫描速度下的循环伏安曲线,测试电极为三电极体系,以埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料为工作电极,铂电极为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,2M的KOH为电解液。
图5为实施例1制得的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料在1A/g电流密度下的恒电流充放电曲线,通过公式Cm=I*Δt/(m*Δv),I为放电电流,Δt为放电时间,m为活性物质质量,Δv为电压范围,计算出该电极材料的比电容(Cm)为2253F/g。
Claims (6)
1.一种埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1,将天然埃洛石纳米管在偏六磷酸钠溶液中超声分散,静置后取上层悬浊液,洗涤烘干得到埃洛石纳米管;
步骤2,将质量比为1:2~1:2.5的埃洛石纳米管和硅烷偶联剂KH-590分散在甲苯中,氮气保护下,在80~100℃下反应,洗涤干燥后得到巯基埃洛石;
步骤3,将质量比为1:1.5~4.5:3~10的巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍加入到85%~95%的乙醇溶液中,超声处理0.5~1h,得到混合溶液;
步骤4,将与巯基埃洛石的质量比为1~4:1的硫脲和与巯基埃洛石质量比为15~45:1的氨水加入到步骤3中得到的混合溶液中,搅拌均匀后,在120℃~200℃下水热反应8h~16h,反应结束后离心、洗涤、干燥,得到埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述的天然埃洛石纳米管与偏六磷酸钠的质量比为1:0.005。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3中,所述的巯基埃洛石、葡萄糖和六水氯化镍的质量比为1:3.5~4:4~5。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤4中,所述的巯基埃洛石与硫脲的质量比为1:3~3.5,所述的巯基埃洛石与氨水的质量比为1:35~37。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤4中,所述的水热反应时间为11~13h,所述的水热反应温度为170~190℃。
6.根据权利要求1~5任一所述的制备方法制得的埃洛石纳米管负载二硫化三镍的超级电容器电极材料。
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