CN108878160B - 泡沫镍/ITO-NWs材料、超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫镍/ITO‑NWs材料、超级电容器及其制备方法，泡沫镍/ITO‑NWs材料的制备方法包括：步骤1：将泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置后超声处理，然后取出，在真空条件下干燥；步骤2：先将PS小球平铺在超纯水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥；步骤3：利用电子束蒸镀方式在PS小球模板生长ITO纳米线，然后在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/ITO‑NWs材料。本发明的泡沫镍/ITO‑NWs材料电化学性能优异，在10mA的电流下恒流充放电，单个电极容量达到112μAh/cm2，是一种理想的超级电容器电极材料。
Description
技术领域
本发明属于超级电容技术领域，特别涉及一种泡沫镍/ITO-NWs材料、超级电容器及其制备方法。
背景技术
在当前的大数据信息时代，随着网络和电子设备的高速发展，各行业对储能装置的性能需求越来越高，这就迫切需要研发高效率、充电速率快、循环寿命长的新型储能装置来突破传统储能装置的性能瓶颈。超级电容器作为一种新型的储能装置，因其高效的大电流瞬时充电等良好的电化学性能的而被认为应用前景广阔。超级电容器一般由电解液、正负电极、隔膜三部分组成，其中正负极电极材料最大程度上决定了超级电容器的电化学性能。通常，多孔碳材料(活性炭、石墨烯气凝胶等)、过渡金属氧化物、导电聚合物是三种最常见的电极材料。根据储能原理，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容器两种。其中，赝电容超级电容器作为一种新型储能器件，它具有高的比电容、功率密度和效率，短的充电时间，对工作环境的温度等要求低以及环境友好等多个显著的优异特性。其在军工、大小型移动电子设备等领域都潜在广泛的应用价值。
赝电容超级电容器的电极活性物质，通常为一元或多元的过渡金属氧化物及高分子导电聚合物。在电容器工作时，电极材料的表面会发生欠电位沉积及高度可逆的氧化还原反应，进而产生与电极活性物质材料氧化过程与还原过程峰值电位有关的法拉第电容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫镍/ITO-NWs材料、超级电容器及其制备方法，将三维结构的多孔泡沫镍与ITO纳米线有机结合，形成一种新的复合纳米材料，以获得以ITO-NWs为活性材料的性能优良的超级电容器；解决了现有电极活性物质表面会发生欠电位沉积及高度可逆的氧化还原反应，进而产生与电极活性物质材料氧化过程与还原过程峰值电位有关的法拉第电容的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
泡沫镍/ITO-NWs材料的制备方法，包括：
步骤1：将泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置后超声处理，然后取出，在真空条件下干燥；
步骤2：先将PS小球平铺在超纯水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥；
步骤3：利用电子束蒸镀方式在PS小球模板生长ITO纳米线，然后在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/ITO-NWs材料。
进一步的，步骤1中稀盐酸的浓度为0.5mol/L。
进一步的，步骤1中泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置10min后超声20min取出，在真空条件下干燥；步骤3中利用电子束蒸镀方式生长ITO纳米线时腔室温度为300℃，速率为0.1nm/s，生长时长为2000s。
进一步的，所述泡沫镍为三维多孔泡沫结构，ITO-NWs单根形貌为针状，整体呈现三维树状结构。
进一步的，泡沫镍厚度为1.7mm，纯度为99.8％，孔隙率为95-98％，孔径为0.2-0.6mm，每英寸孔数为110，ITO-NWs中纳米线长度为200nm-2μm，直径为15-30nm。
进一步的，ITO纳米线直接生长于泡沫镍骨架，均匀密集分布于泡沫镍孔壁和表面。
基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，超级电容器的工作电极由泡沫镍/ITO-NWs材料制成。
进一步的，测试系统以铂丝为对电极，饱和甘汞为参比电极。
基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置后超声处理，然后取出，在真空条件下干燥；
步骤2：先将PS小球平铺在超纯水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥；
步骤3：利用电子束蒸镀方式在PS小球模板生长ITO纳米线，然后在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/ITO-NWs材料；
步骤4：采用泡沫镍/ITO-NWs材料作为工作电极、铂丝为对电极、饱和甘汞为参比电极制作获得超级电容器；
步骤1中稀盐酸的浓度为0.5mol/L；步骤1中泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置10min后超声20min取出，在真空条件下干燥；
步骤3中利用电子束蒸镀方式生长ITO纳米线时腔室温度为300℃，速率为0.1nm/s，生长时长为2000s；
所述泡沫镍为三维多孔泡沫结构，ITO-NWs单根形貌为针状，整体呈现三维树状结构；泡沫镍厚度为1.7mm，纯度为99.8％，孔隙率为95-98％，孔径为0.2-0.6mm，每英寸孔数为110，ITO-NWs中纳米线长度为200nm-2μm，直径为15-30nm。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)本发明制备的泡沫镍/ITO-NWs材料，ITO纳米线直接均匀的生长于泡沫镍三维骨架上，密集且结合牢固，直接为金属镍与ITO-NWs的复合，无其它结构形态出现，结构均一且具有高的比表面积。
2)本发明制备的泡沫镍/ITO-NWs材料电化学性能优异，延展性良好，可弯折。
3)本发明ITO纳米线是直接基于泡沫镍进行生长制备的，泡沫镍可以为任意形状和尺寸。
4)首次实现了利用ITO材料制成纳米线形态而作为法拉第赝电容器的电极活性材料，制备出了一种理想的超级电容器电极材料。
5)本发明中，ITO纳米线直接一步制备于泡沫镍金属上，工艺简洁，可应用于工业大规模生产制备。
附图说明
图1为实施例得到的泡沫镍/ITO-NWs材料的扫描式电子显微镜(SEM)。
图2为实施例得到的泡沫镍/ITO-NWs材料与泡沫镍材料的循环伏安扫描曲线(CV)。
图3为实施例得到的泡沫镍/ITO-NWs材料作为工作电极时的恒流充放电曲线，充放电电流分别为10mA，15mA，20mA。
具体实施方式
下面面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
氧化铟锡(ITO)是一种由不同比例的氧化铟(In2O3)和氧化锡(SnO2)构成的二元金属氧化物，通常质量比为9：1。ITO材料作为透明导电薄膜具有良好的电学及光学性能，同时ITO材料还有非常优异的化学性能：电化学窗口较宽、电化学性能稳定等一系列优势，将ITO材料制备成纳米线形貌具有较大的比表面积，在氧化还原反应中金属氧化物与溶液更加充分的接触。本专利提出一种以ITO这种二元金属氧化物为活性材料的法拉第赝电容器电极材料的制备方法，是一种电化学性能良好的超级电容器电极材料。
基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器的制备方法，包括：
1)在手套箱中，将两块边长为0.7cm的正方形泡沫镍完全浸泡在0.5mol/L稀盐酸中，静置10min后超声20min取出，在真空条件下干燥；
2)先将PS小球平铺在超纯(UP)水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥。
3)利用电子束蒸镀方式生长ITO纳米线，腔室温度为300℃，速率为0.1nm/s，生长时长为2000s。在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/氧化铟锡纳米线(ITO-NWs)材料；
4)采用泡沫镍/ITO-NWs材料作为工作电极、铂丝为对电极、饱和甘汞为参比电极制作获得超级电容器。
本实施例中泡沫镍为三维多孔泡沫结构，厚度为1.7mm，纯度为99.8％，孔隙率为95-98％，孔径为0.2-0.6mm，每英寸孔数(PPI)为110.ITO-NWs单根形貌为针状，整体呈现三维树状结构，长度在200nm-2μm间，直径在15-30nm间。ITO-NWs密集的附着在多孔泡沫镍三维骨架表面和内部。
首先对制得的泡沫镍/ITO-NWs材料进行形貌分析，采用扫描式电子显微镜(SEM)。如图1为本实施例1得到的泡沫镍/ITO-NWs材料的扫描式电子显微镜(SEM)图，图中可以看到ITO纳米线整体形貌为三维树状结构，单根呈现针状形貌，ITO纳米线密集均匀的附着在泡沫镍骨架上，ITO纳米线的主干长度可达2μm，分枝介于200nm-2μm间。主干粗于分枝，整体直径分布于为15-30nm间。
采用三电极体系的测试方法，分别以实施例制得的泡沫镍/ITO-NWs材料和泡沫镍作为超级电容器的工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞为参比电极，对系统进行线性循环伏安扫描(CV)测试。图2为单纯泡沫镍材料与泡沫镍/ITO-NWs材料两组样品的CV曲线对比图，从测试结果可以看出，该泡沫镍/ITO-NWs材料具有强的法拉第赝电容特性。
对泡沫镍/ITO-NWs材料进行恒流充放电(GCD)测试；在10mA的电流下恒流充放电，单个电极容量达到112μAh/cm2；当电流密度增加到15mA时，单个电极容量达到96μAh/cm2，保持率为85.7％；当电流密度增加到20mA时，单个电极容量达到88μAh/cm2，保持率为78.6％；如图3为实施例得到的泡沫镍/ITO-NWs材料作为电极时的恒流充放电曲线(GCD)，测试电流密度10mA，循环测试1000次后，比电容保持率为90％以上，其循环稳定性极其优异。
显然，尽管本发明的内容就其公开的具体实施方式作出了完整而清晰的描述，但其不仅限于此，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于所属技术领域的人员来说，通过这些表述的指导而对本发明作出改进和替代所获得的所有其他实施例，包含在本发明之中。
Claims (8)
1.基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，超级电容器的工作电极由泡沫镍/ITO-NWs材料制成；泡沫镍作为工作电极的集流体，ITO-NWs作为工作电极的活性材料；
所述泡沫镍/ITO-NWs材料的制备方法包括：
步骤1：将泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置后超声处理，然后取出，在真空条件下干燥；
步骤2：先将PS小球平铺在超纯水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥；
步骤3：利用电子束蒸镀方式基于PS小球模板生长ITO纳米线，然后在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/ITO-NWs材料。
2.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，步骤1中稀盐酸的浓度为0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，步骤1中泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置10min后超声20min取出，在真空条件下干燥；步骤3中利用电子束蒸镀方式生长ITO纳米线时腔室温度为300℃，速率为0.1nm/s，生长时长为2000s。
4.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，所述泡沫镍为三维多孔泡沫结构，ITO-NWs单根形貌为针状，整体呈现三维树状结构。
5.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，泡沫镍厚度为1.7mm，纯度为99.8％，孔隙率为95-98％，孔径为0.2-0.6mm，每英寸孔数为110，ITO-NWs中纳米线长度为200nm-2μm，直径为15-30nm。
6.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，ITO纳米线直接生长于泡沫镍骨架，均匀密集分布于泡沫镍孔壁和表面。
7.根据权利要求1所述的基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器以泡沫镍/ITO-NWs材料作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞为参比电极。
8.基于泡沫镍/ITO-NWs材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置后超声处理，然后取出，在真空条件下干燥；
步骤2：先将PS小球平铺在超纯水的表面，通过自组装的方式转移到步骤1中预先处理过的泡沫镍表面，然后在真空、室温环境下干燥；
步骤3：利用电子束蒸镀方式在PS小球模板生长ITO纳米线，然后在真空环境下自然冷却至室温，得到泡沫镍/ITO-NWs材料；
步骤4：采用泡沫镍/ITO-NWs材料作为工作电极制作获得超级电容器；
步骤1中稀盐酸的浓度为0.5mol/L；步骤1中泡沫镍完全浸泡在稀盐酸中，静置10min后超声20min取出，在真空条件下干燥；
步骤3中利用电子束蒸镀方式生长ITO纳米线时腔室温度为300℃，速率为0.1nm/s，生长时长为2000s；
所述泡沫镍为三维多孔泡沫结构，ITO-NWs单根形貌为针状，整体呈现三维树状结构；泡沫镍厚度为1.7mm，纯度为99.8％，孔隙率为95-98％，孔径为0.2-0.6mm，每英寸孔数为110，ITO-NWs中纳米线长度为200nm-2μm，直径为15-30nm。
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