CN107954483A - 一种α相氢氧化镍超薄纳米片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种α相氢氧化镍超薄纳米片及其制备方法，该纳米片厚度为2‑8纳米，尺寸为200~300 nm，制备过程为：将可溶性镍盐和尿素分别溶于乙醇中制成乙醇溶液，将上述两种溶液混合充分搅拌均匀后进行溶剂热反应，得到α相的氢氧化镍纳米片。本发明通过一步溶剂热法制备了超薄的α相氢氧化镍纳米片，制备过程简单，成本较低，制得的氢氧化镍为α相，可以作为超级电容器电极材料及电催化产氧的催化剂，在能源储存和转换及环境相关的领域具有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种α相氢氧化镍超薄纳米片，尤其涉及一种α相氢氧化镍超薄纳米片及采用溶剂热法制备该α相氢氧化镍超薄纳米片的方法，属于无机纳米材料技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展，社会经济对能源的需求不断增加。传统能源资源日益枯竭，并且其使用过程中会导致一系列的环境问题。因此，清洁可再生的新兴能源的研发迫在眉睫。电化学能量转化及存储是一种实现能量转化及存储高效而且实用的方式。超级电容器因其接近电池的能量密度、较高的安全性、环境友好等优点受到人们的广泛关注。过渡金属氢氧化物作为超级电容器电极材料逐渐成为研究热点，而氢氧化镍具有较高的比电容成为一类热门的电极材料，尤其是α相Ni(OH)2，其理论比容量达到2082 F/g。
在近几年的研究中，主要采用化学或结构的改性的方法来提高氢氧化镍作为电极材料的相关性能。常见的氢氧化镍纳米片的制备往往得到的片层厚度较厚，并且为结构更为稳定的β相，这种结构的氢氧化镍纳米片作为超级电容器电极材料具有比电容较低并且电化学活性位点暴露不足的缺点，这不利于实现优良的电化学性能。
作为超级电容器电极材料，α相氢氧化镍比β相氢氧化镍具有更好的优势，例如具有较高的放电平台，高放电比容量和较长的寿命，但α相氢氧化镍在强碱环境下不能稳定存在，因此制备过程中存在较大的难度。目前，为了提高其稳定性，一般采用的是掺杂阳离子或阴离子的方式。目前，也有少量不进行掺杂制备α相氢氧化镍的报道，例如Achary等人以尿素作沉淀剂，以水为溶剂，采用均相沉淀法制备得到了非取代型α相氢氧化镍，所得产品为球形颗粒，并且结晶度很差。 Dixit等人以尿素作沉淀剂，将尿素水溶液与镍盐水溶液混合后加热，采用均相沉淀法制备得到了非取代型α相氢氧化镍，产物形貌为纤维状。而通过工艺简单，条件温和，环境污染少的方法制备超薄纳米片结构的α相氢氧化镍未见报道。
因此，采用一种简便易行的方法控制合成结构稳定的α相氢氧化镍对于提高其比表面积，暴露更多的电化学活性位点及改善电化学性能具有显著的意义，并且α相氢氧化镍也可以作为催化剂在其他领域内具有广泛的应用前景。
发明内容
针对目前非取代型α相氢氧化镍制备难度大、产物性能差的不足，本发明提供了一种α相氢氧化镍超薄纳米片，该纳米片厚度超薄仅为几纳米，稳定性强，产物形貌均一，尺寸分布均匀，该形貌便于暴露更多的电化学活性位点，更利于实现其优良的电化学性能。
本发明还提供了上述α相氢氧化镍超薄纳米片的制备方法，该方法简便可行，具有很好的可控性，所得产物形貌特殊、均一，尺寸分布均匀，厚度超薄，可以作为电极材料使用。
本发明具体技术方案如下：
一种α相氢氧化镍超薄纳米片，该纳米片物相为α相氢氧化镍，纳米片的平均厚度仅为2-8纳米，例如2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm。
进一步的，所述超薄的纳米片的透射电子显微镜图如图1所示，每一个超薄片都是弯曲的，有褶皱。所述α相氢氧化镍超薄纳米片的尺寸为200-300纳米。
本发明通过对制备方法的研究和改进，得到了本发明形貌特殊的α相氢氧化镍超薄纳米片，该超薄纳米片与球形颗粒状和纤维状形貌相比更便于暴露更多的电化学活性位点，在电化学性能上有更好的优势。本发明优选方法包括以下步骤：
（1）将可溶性镍盐的乙醇溶液和尿素的乙醇溶液混合，充分搅拌均匀，得前驱体溶液；
（2）将前驱体溶液升温进行溶剂热反应，反应后所得产物即为α相氢氧化镍纳米片。
上述方法中，选择乙醇为溶剂，尿素为碱源，通过对镍源、碱源、溶剂成分和用量的调整采用一步溶剂热法即可得到结晶度较高、稳定性好、形貌均一特殊的α相氢氧化镍超薄纳米片。其中，优选的，前驱体溶液中可溶性镍盐的摩尔浓度为0.3~1.7 mmol/L，高于或低于该浓度均无法得到该形貌。
上述步骤（1）中，将可溶性镍盐和尿素先分别配成乙醇溶液，然后再进行混合。可溶性镍盐的乙醇溶液和尿素的乙醇溶液的浓度不作要求，将两者溶解完全即可。
上述步骤（1）中，可溶性镍盐与尿素的摩尔比为1:2 ~1:20。
上述步骤（1）中，所述可溶性镍盐包括硝酸镍或氯化镍。
上述步骤（2）中，溶剂热反应的温度为110~130℃。溶剂热反应的时间为6~10 h。
上述步骤（2）中，溶剂热反应在密闭环境下进行。
上述方法中，以硝酸镍或氯化镍为镍源，尿素为碱源，无水乙醇为溶剂，通过溶剂热反应得到α相氢氧化镍，该产品为纳米薄片，厚度超薄、稳定性好、结晶度较高，形貌均一，尺寸分布较为均一，可以较好的分散于水和有机溶剂中。在溶剂热过程中，随着温度的升高，尿素分解生成OH-，与镍离子反应生成α相Ni(OH)2。其中，乙醇、尿素、较低的镍源浓度对于生成超薄氢氧化镍纳米片起到至关重要的作用，改用其他碱源（例如，六亚甲基四胺、氨水）、镍源和溶剂不能得到超薄的α相氢氧化镍纳米片，改变镍源浓度也不能得到该超薄形貌的纳米片结构。
进一步的，为了更好的提高产品的结晶度，降低纳米片的厚度，可以在前驱体系中加入少量丙二醇，具体为：
A.将可溶性镍盐的乙醇溶液和尿素的乙醇溶液混合，充分搅拌均匀后，再加入丙二醇充分搅拌均匀，得前驱体溶液；
B.（2）将前驱体溶液升温进行溶剂热反应，反应后所得产物即为α相氢氧化镍纳米片。
进一步的上述步骤A中，丙二醇与乙醇的体积比为0.1-0.15:3。
进一步的，上述步骤A和B中，各反应条件同上。
进一步的，加入丙二醇后，所得α相氢氧化镍纳米片的厚度在2-4nm。
本发明通过一步溶剂热法制得了α相氢氧化镍超薄纳米片，无需添加表面活性剂和金属离子，简化了工艺操作，制备方法简单、易操作、可重复性强、易于控制、产量高、成本低，所得纳米片为α相，厚度薄、稳定性好、结晶度高，形貌均一、尺寸分布较为均一，可作为超级电容器电极材料及电催化产氧的催化剂，在能源存储和转换及环境相关的领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1本发明实施例1合成的α相氢氧化镍纳米片的透射电子显微镜照片。
图2本发明实施例1合成的α相氢氧化镍纳米片的X射线衍射图谱。
图3本发明对比例2合成的产物的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述，需要说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
1.1 称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
1.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应10小时；
1.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，得产品。图1为该样品的透射电子显微镜照片，从图中可以看出，所得产品为超薄的纳米片状，纳米片的厚度平均为5纳米，尺寸为200~300纳米。图2为该样品的X射线衍射图谱，从图中可以看出，所得产物为α相氢氧化镍，结晶度较高。
实施例2
2.1 称取0.01 mmol 的 NiCl2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.1 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
2.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应10小时；
2.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为8纳米，尺寸为200~300纳米，其XRD图与图1类似，结晶度较高。
实施例3
3.1 称取0.03 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
3.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应10小时；
3.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为2纳米，尺寸为200~300纳米，其XRD图与图1类似，结晶度较高。
实施例4
4.1 称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
4.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至130℃，反应6小时；
4.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为4纳米，尺寸为200~300纳米，其XRD图与图1类似，结晶度较高。
实施例5
5.1 称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
5.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至110℃，反应10小时；
5.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为6纳米，尺寸为200~300纳米，其XRD图与图1类似，结晶度较高。
实施例6
6.1 称取0.05 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.1 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
6.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应8小时；
6.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为5纳米，尺寸为200~300纳米，其XRD图与图1类似，结晶度较高。
实施例7
7.1 称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后加入1.1ml丙二醇，得到均一的前驱体溶液；
7.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应10小时；
7.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为2.5纳米，尺寸为200~300纳米，该产品的结晶度高于实施例1的产品。
实施例8
8.1 称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有14 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后再加入1.2ml丙二醇，得到均一的前驱体溶液；
8.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应6小时；
8.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，即得到超薄的α相氢氧化镍纳米片。纳米片的厚度平均为2纳米，尺寸为200~300纳米，该产品的结晶度高于实施例1的产品。
对比例1
1.1称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有29.5 mL乙醇的烧杯中，待其完全溶解后，将0.2 mmol氨水（质量浓度28%）滴入上述溶液中，持续搅拌30 min后得到均一的前驱体溶液；
1.2 其他步骤同实施例1。最终产物形貌为较厚的片状α相氢氧化镍，不再是纳米片，且团聚严重，不能得到超薄的氢氧化镍纳米片。
对比例2
2.1称取0.1 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
2.2 其他步骤同实施例1。最终产物为由片组成的花状结构的α相氢氧化镍，片的尺寸和厚度都较大，片厚约60nm。图3为该样品的扫描电子显微镜照片。
对比例3
3.1称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL水的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL水的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
3.2 其他步骤同实施例1。最终产物为由片组成的花状结构的α相氢氧化镍，片的厚度较大，约100nm。
对比例4
4.1 称取0.004 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL乙醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
4.2 将前驱体溶液转移至50 mL的密闭反应釜中，在烘箱中加热至120℃，反应10小时；
4.3 反应后自然冷却至室温，将冷却后的样品进行离心分离，用水和乙醇分别洗涤3次，得产品。所得产品为球形纳米颗粒。
对比例5
5.1称取0.01 mmol 的 Ni(NO3)2·6H2O加入至盛有15 mL丙二醇的烧杯中，搅拌至完全溶解，称取0.2 mmol尿素加入至盛有15 mL丙二醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；将上述两个溶液混合，持续搅拌10 min后得到均一的前驱体溶液；
5.2 其他步骤同实施例1。最终产物为纳米颗粒。
Claims (10)
1.一种α相氢氧化镍超薄纳米片，其特征是：所述纳米片的厚度为2-8纳米。
2.根据权利要求1所述的α相氢氧化镍纳米片，其特征是：所述纳米片的尺寸为200-300纳米。
3.一种权利要求1或2所述的α相氢氧化镍纳米片的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将可溶性镍盐的乙醇溶液和尿素的乙醇溶液混合，充分搅拌均匀，得前驱体溶液；
（2）将前驱体溶液升温进行溶剂热反应，反应后所得产物即为α相氢氧化镍纳米片。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，前驱体溶液中可溶性镍盐的摩尔浓度为0.3~1.7 mmol/L。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征是：可溶性镍盐与尿素的摩尔比为1:2 ~1:20。
6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征是：所述可溶性镍盐包括硝酸镍或氯化镍。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，溶剂热反应的温度为110~130℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，溶剂热反应的时间为6~10h。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的制备方法，其特征是：优选的，步骤（1）中，将可溶性镍盐的乙醇溶液和尿素的乙醇溶液混合，充分搅拌均匀后，再加入丙二醇充分搅拌均匀，得前驱体溶液。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征是：丙二醇与乙醇的体积比为0.1-0.15:3。
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