CN109192523A - 一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是设计一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法。片层Ni(OH)2具有大的比电容量，但其导电性能差。若单独作为超级电容器的电极材料会造成电极内阻大、倍率性能和循环性能差等缺陷。本发明在于提供一种简单的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法，在石墨烯/金属氢氧化物复合材料中，石墨烯优异的循环稳定性能和金属氢氧化物的高容量性得到了大的提升。制备的复合材料作为超级电容器的电极材料时，获得了高性能的超级电容器。

Description

一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法。生产制备的材料在储能应用和节能环保方面具有良好的应用价值。
背景技术
超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量或能力密度、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。超级电容器是一种具有高功率密度和长循环寿命的新型储能装置。碳材料、金属氢氧化物和导电聚合物是常见的三种超级电容器的电极材料。在石墨烯/金属氢氧化物复合材料中，石墨烯优异的循环稳定性能和金属氢氧化物的高容量性得到了大的提升。因此，石墨烯/金属氢氧化物复合材料的研究是超级电容器领域的一个热点研究方向。片层Ni(OH)2具有大的比电容量，但其导电性能差。若单独作为电极材料会造成电极内阻大、倍率性能和循环性能差等缺陷。因此，与碳材料复合来解决这些不足成为了研究者的主要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法。制备的复合材料作为超级电容器的电极材料时，获得了高性能的超级电容器。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案步骤如下：
步骤一：量取体积比为8:2的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)和蒸馏水，混合均匀后作为混合溶剂，其中，两溶剂的体积和作为混合溶剂的体积；
步骤二：加入膨胀石墨，超声振荡3小时，得到多层石墨烯溶液。其中多层石墨烯的表面含氧量小于3％，石墨烯层数小于100层；
步骤三：在多层石墨烯溶液中加入尿素和六水氯化镍，尿素所需量为3～6mg/mL，六水氯化镍量为7.14～11.9mg/mL。将混合溶液搅拌5～10分钟后，倒入水热反应釜，在150℃温度下保温2小时后冷却至室温；
步骤四：取出步骤三得到的产物，用酒精离心清洗3次，再用水离心清洗3次，清洗后的产物在干燥箱中以60℃干燥24小时，得到干燥的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
优选地，步骤三中，尿素的添加量为4mg/mL，六水氯化镍的添加量为7.14mg/mL。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)多层石墨烯具有制备简单、良好的导电性、比表面积大和负载金属离子能力强等特点，以多层石墨烯作为基底，则复合材料制备过程中保持了多层石墨烯良好的性能。
(2)该方法在石墨烯表面制备Ni(OH)2，不需要对多层石墨烯表面进行氧化处理，减小了工艺过程。
(3)该方法制备的Ni(OH)2垂直于石墨烯排列，有利于电解液的浸入，从而增加与电解液的接触面积，提高双电层电容效应。同时减小了载流子的扩散距离，从而减小电极的内阻。
(4)本发明制备的Ni(OH)2片层厚度薄，大约在5nm以下。从而有利于提高材料的面积和活性物质的氧化还原活性。
(5)本发明制备的Ni(OH)2/多层石墨烯具有高容量的特性。通过三电极的测试，在0-0.45V的电压窗口下，1A g-1的充放电速度下比容量最高可达1370F g-1。
(6)本发明方法工艺简单，容易控制，便于工业化生产。所制得的复合材料在储能应用、节能环保领域中具有使用价值。
附图说明
图1为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料制备方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料制备复合材料的XRD图；
图3为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的扫描电镜图；
图4为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的透射电镜图；
图5为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料制备超级电容器的CV图；
图6为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料制备超级电容器的倍率性能图；
图7为本发明实施例4的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料制备超级电容器在10A g-1电流密度下的循环充放电曲线图。
具体实施方式
为了能更好说明本发明的流程和方案，结合附图和实施例对以下发明进行进一步的说明。此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法步骤流程图，包括以下步骤：
步骤一，量取体积比为8:2的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)和蒸馏水，混合后作为混合溶剂。两溶剂的体积和作为混合溶剂的体积。
步骤二，加入膨胀石墨，超声震荡3小时，得到多层石墨烯混合溶液；其中，膨胀石墨相对于混合溶剂的质量浓度为2mg/mL，多层石墨烯表面含氧量小于3％，层数小于100层。
步骤三，在多层石墨烯混合溶剂中加入尿素和六水氯化镍，搅拌5～10分钟，将溶液倒入水热反应釜，在150℃温度下保温2小时后冷却至室温。
步骤四，取出步骤三得到的产物，用酒精离心清洗3次，再用水离心清洗3次，清洗后在干燥箱中60℃干燥24小时，得到干燥的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。由XRD的峰位可知和Ni(OH)2吻合，片层物质为Ni(OH)2。
实施例1
8mLDMF和2mL蒸馏水混合后作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，在混合溶液中加入30mg CO(NH2)2，95.2mg NiCl2·6H2O搅拌10分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
实施例2
8mLDMF和2mL蒸馏水相混合作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，在混合溶液中加入40mg CO(NH2)2，119mg NiCl2·6H2O搅拌5分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
实施例3
8mL DMF和2mL蒸馏水相混合作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，在混合溶液中加入60mg CO(NH2)2，95.2mg NiCl2·6H2O搅拌5分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
实施例4
8mL DMF和2mL蒸馏水相混合作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，混合溶液中加入40mg CO(NH2)2，71.4mg NiCl2·6H2O搅拌10分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
由图3SEM对其形貌和微观结构进行了表征。看出石墨烯表面是由相互交织堆积的Ni(OH)2纳米片密集覆盖，片层之间形成了空隙。Ni(OH)2片层结构有利于电解质溶液浸入，提高离子的迁移，改善超级电容性能。图5～图7是由制备的Ni(OH)2/石墨烯复合材料制备的电极测试的电化学性能图。图5的CV测试电压窗口在0到0.55V之间，发生了氧化还原反应。随着扫描速率增加，相应电流增大，极化效果较小，说明该物质导电性能较好，稳定性强。图6是电极物质分别在1A g-1、2A g-1、4A g-1、6A g-1、8A g-1、10A g-1电流密度下的倍率曲线，容量分别是1378F g-1、1311F g-1、1280F g-1、1240F g-1、1191F g-1、1178F g-1。图7是在10A g-1的电流密度下循环5000次充放电容量变化，5000次充放电后容量由起始的1178Fg-1降至688F g-1。
实施例5
8mL DMF和2mL蒸馏水相混合作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，在混合溶液中加入60mg CO(NH2)2，119mg NiCl2·6H2O搅拌5分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
实施例6
8mLDMF和2mL蒸馏水相混合作为混合溶剂，加入20mg膨胀石墨，超声振荡3小时后得到所需的多层石墨烯溶液，在混合溶液中加50mg CO(NH2)2，71.4mg NiCl2·6H2O搅拌10分钟；将溶液倒入水热反应釜中，在150℃下保温2小时后冷却至室温；取出产物用酒精离心清洗3次，后用水离心清洗3次，最后用干燥箱在60℃下干燥24小时得到Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不限制本发明，凡是在本发明精神和原则以内所做的任何修改、改进等均属于本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：量取体积比为8:2的DMF和蒸馏水，混合均匀后作为混合溶剂，两溶剂的体积和作为混合溶剂的体积；
步骤二：加入膨胀石墨，超声振荡3小时，得到多层石墨烯溶液；其中多层石墨烯的表面含氧量小于3％，石墨烯层数小于100层；
步骤三：在多层石墨烯溶液中加入尿素和六水氯化镍，其中，尿素质量浓度为3～6mg/mL，而六水氯化镍质量浓度为7.14～11.9mg/mL；将混合溶液搅拌5～10分钟后，倒入水热反应釜，在150℃温度下保温2小时后冷却至室温；
步骤四：取出步骤三得到的产物，用酒精离心清洗3次，再用水离心清洗3次，清洗后的产物在干燥箱中以60℃干燥24小时，得到干燥的Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中在多层石墨烯溶液中加入尿素和六水氯化镍，其中，尿素的质量浓度为4mg/mL，六水氯化镍的质量浓度为7.14mg/mL。
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