CN109192557B - 一种制备硼掺杂钴酸镍复合材料的工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种利用专用反应器制备硼掺杂钴酸镍复合材料的工艺与应用,包括如下步骤:(1)将市场上购买的T型三通、不锈钢毛细管和平流泵搭建成用于硼掺杂钴酸镍复合材料制备专用反应器,设置好平流泵的流量;(2)同时启动两台平流泵,使含Ni2+‑Co2+混合溶液和含硼前驱体溶液在微撞击流反应器内高速撞击发生沉淀反应;(3)前驱体流入搅拌槽反应器中陈化一段时间,再经洗涤、干燥、煅烧获得Ni‑Co‑O‑B复合材料。该材料的粒径为30‑40nm,表面包覆一层薄的金属硼化物,由该材料制备的超级电容器电极在电流密度为1A/g时比电容高达2425F/g,在10A/g高电流密度下比电容仍高达2010F/g,充放电循环3000次后比容量仅衰减4.2%,具有很好的倍率性能、循环寿命和工业应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料领域,具体涉及复合材料的合成技术领域,具体是指一种硼掺杂的钴酸镍复合材料及其制备工艺与应用。
背景技术
超级电容器是一种新型、高效、实用的能量储存装置,具有高功率、长寿命、可快速充放电、环境友好等优越的性能,目前已广泛应用在通讯设备、电动汽车和家用电器等领域。过渡金属氧化物如MnO2、NiO、Co3O4、NiCo2O4、 ZnCo2O4等法拉第超级电容器材料有较高的比电容和能量密度,但是它们存在机械稳定性和导电性较差的缺陷,在充放电过程中的快速法拉第反应会引起材料形变、体积膨胀及粉化,严重削弱了电极材料的倍率性能和循环寿命,限制了其商业化应用。
目前过渡金属基材料的常用合成方法如水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、模板法、CVD法、电沉积法等存在工艺繁琐、能耗大、设备投资高、产率低、环境污染等问题,而液相共沉淀法操作方便、设备投资小、环境友好、易于大规模工业化生产。但是,传统搅拌槽反应器难以实现快速的微观混合,在沉淀反应中无法形成均一的过饱和度,导致其很难得到形貌和尺寸均一的纳米粒子,不同批次之间的产品存在质量差异,可控性不强。针对上述问题,除了改善合成工艺和加入适当的助剂与载体外,还应对反应器进行改造,优化沉淀反应过程。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足,而提供了一种用于硼掺杂钴酸镍复合材料制备专用反应器,原料采购简单,无需精细加工、组装拆卸方便。
本发明的第二个目的是提供了一种硼掺杂钴酸镍复合材料的制备方法,该方法具有可控性。
本发明的第三个目的是提供了一种硼掺杂钴酸镍复合材料,该材料具有高比电容、长寿命、高倍率性能。
本发明的第四个目的是提供一种硼掺杂钴酸镍复合材料在超级电容器电极中的应用,该材料在电流密度为1A/g时比电容高达2425F/g,在10A/g高电流密度下比电容仍高达2010F/g,充放电循环3000次后比容量仅衰减4.2%。
为实现本发明的第一个目的,其技术方案如下:
一种用于硼掺杂钴酸镍复合材料制备专用反应器,其结构包括有:两个平流泵、两个储液罐、一个T型三通接头和一个搅拌槽反应器,两个平流泵分别记为1号平流泵、2号平流泵,两个储液槽分别记为1号储液槽、2号储液槽;
所述的T型三通接头的第一端口通过毛细管连接有1号平流泵,第二端口通过毛细管连接有2号平流泵,第三端口下方设置有一个搅拌槽反应器;1号平流泵与1号储液罐相连,2号平流泵与2号储液罐相连,还包括有一个分别与1 号平流泵、2号平流泵相连并用于控制泵液流量的泵控制器。
所述反应器的腔体为等径T型三通,腔体长不大于5mm;所述的毛细管为不锈钢毛细管,不锈钢毛细管的内径为0.5‐1.0mm
本发明提及的不锈钢毛细管和T型三通都是从市场上购买得到,无需进一步精密加工,组装、拆卸反应器十分方便;本发明中的T型三通的入口连接不锈钢毛细管,出口未连接管子,它的构造相当于一个T型微撞击流反应器,具有很好的微观混合效果。
为实现本发明的第二个目的,其技术方案如下:
一种基于权利要求1‐2任一项所述的专用反应器制备硼掺杂钴酸镍复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S1:将硼掺杂钴酸镍复合材料制备专用反应器的泵控制器设置好平流泵的流量;
S2:同时启动两台平流泵,使含Ni2+、Co2+混合溶液和含硼前驱体溶液在硼掺杂钴酸镍复合材料制备专用反应器内高速撞击发生沉淀反应;
S3:沉淀物流入搅拌槽反应器中陈化一段时间;
S4:前驱体再经洗涤、干燥、煅烧获得硼掺杂钴酸镍(Ni-Co-O-B)复合材料。
本发明所述的硼掺杂钴酸镍复合材料的制备方法中,在步骤S1中,所设置的两台平流泵的流量可以设置为40-100mL/min,可为40mL/min、60mL/min、 80mL/min和100mL/min;其中,最优选流量80mL/min。
在步骤S2中,所述的含Ni2+-Co2+混合溶液分别为NiSO4和Co(NO3)2,所述的含硼前驱体为KBH4溶液。
步骤S2的Ni2+-Co2+混合溶液(Ni2+:Co2+=3:1)的总浓度为0.1mol/L,而 KBH4溶液的浓度为0.1~0.3mol/L,例如可为0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、 0.25mol/L、0.3mol/L;最优选浓度为0.2mol/L。
在步骤S3中,前驱体在室温下继续搅拌陈化2-8h,例如可为2h、4h、6h、 8h;最优选陈化时间为6h。
在步骤S4中,前驱体用去离子水洗涤,次数可为3-5次。
在步骤S4中,最后前驱体还需在200-400℃下氩气气氛中煅烧3h,例如煅烧温度可为200℃、250℃、300℃、350℃、400℃;最优选煅烧温度为 300℃。
为实现本发明的第四个目的,其技术方案为:
所述的硼掺杂钴酸镍复合材料在超级电容器电极中的应用,其制作方法包括如下步骤:
(1)称取所述的硼掺杂钴酸镍复合材料、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按 80:15:5的质量比放入研钵中,反复充分研磨后加入3‐5滴的N‐甲基吡咯烷酮,再充分研磨10min得到粘稠浆料,将浆料均匀涂覆在1×1cm2泡沫镍上,在 80℃干燥12h,最后在压片机上用10MPa压制5min,得到电极片。
(2)以涂覆硼掺杂钴酸镍复合材料的电极片作为工作电极,Hg/HgO为参比电极,铂丝为对电极,电解液为2mol/L的KOH。先将电极片浸泡在KOH电解液中活化10h,然后采用传统的三电极体系进行超级电容器性能的测试。
本发明的专用反应器在应用于硼掺杂钴酸镍复合材料制备,针对在搅拌槽反应器中共沉淀合成纳米材料过程中存在的过饱和度不均一,颗粒尺寸与形貌无法精确控制等问题,通过撞击流反应器将两股反应液同轴高速撞击来强化流体的相间传递和微观混合,提供一种高效、可控合成形貌和尺寸均一、且电化学性能优异的Ni-Co-O-B超级电容器材料的装置。
根据本发明方法制备的硼掺杂钴酸镍复合材料,优选的,硼掺杂钴酸镍颗粒粒径30-40nm,颗粒表面包覆一层金属硼化物薄膜;用所述方法制备的硼掺杂钴酸镍复合材料得到的超级电容器在电流密度为1A/g时比电容高达2425 F/g,在10A/g高电流密度下比电容仍高达2010F/g,充放电循环3000次后比容量仅衰减4.2%。
附图说明
图1本发明所采用的连续微撞击流反应器的示意图:其中1为储液槽,2 为平流泵,3为控制系统,4为不锈钢毛细管,5为T型三通接口,6为搅拌槽反应器;
图2实施例1中所制备的Ni-Co-O-B前驱体的热重图(TG-DSC);
图3实施例1中所制备的Ni-Co-O-B复合材料的X-射线光电子能谱图 (XPS):(a)XPS扫描图;(b)Ni2p谱图;(c)Co2p谱图;(d)B1s谱图;
图4实施例1中所制备的Ni-Co-O-B复合材料的扫描电镜(SEM)和透射电镜图(TEM);
图5实施例1中所制备的Ni-Co-O-B复合材料的电子能量损失谱(EELS);
图6实施例1中所制备的Ni-Co-O-B超级电容器材料的电化学性能:
(a)Ni-Co-O-B超级电容器材料在不同扫描速率下的循环伏安图;
(b)Ni-Co-O-B超级电容器材料在不同电流密度下的恒流充放电图;
(c)Ni-Co-O-B超级电容器材料的倍率性能图;
(d)Ni-Co-O-B超级电容器材料在5A/g电流密度下的循环稳定性;
图7实施例1(标注为:Ni-Co-O-B)和对比例1(标注为:Ni-Co-O)的超级电容器材料的循环稳定性对比结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
(1)通过分析天平称量9.66g的NiSO4·6H2O和3.64g的Co(NO3)2·6H2O粉末溶解在去离子水中,配成总浓度为0.1mol/L的Ni2+-Co2+混合溶液A;称取2.697 g的KBH4粉末溶解在250mL去离子水中配制成0.2mol/L的KBH4溶液B。将配制好的溶液分别注入储液槽1中待用。
(2)将两台恒流泵的流量分别设置成80mL/min和80mL/min,微撞击流反应器出口用搅拌槽反应器接收前驱体。同时开启两台恒流泵,让溶液A和B在T 型三通内高速撞击发生沉淀反应。
(3)将前驱体在室温下搅拌陈化6h,再经抽滤、洗涤3-5次,然后在80℃条件下烘干12h,最后前驱体再经300℃煅烧3h,得到了粒径为30-40nm的 Ni-Co-O-B复合材料。由该Ni-Co-O-B复合材料组装的超级电容器在电流密度为1A/g时比电容高达2425F/g,在10A/g高电流密度下比电容仍高达2010F/g,充放电循环3000次后比容量仅衰减4.2%。
实施例2
(1)在本实施案例中,我们考察了平流泵流量对Ni-Co-O-B复合材料性能的影响。除了将实施案例1中的A、B、C三台平流泵的体积流量分别替换成40mL/min 和40mL/min(样品标记为“C40”);或分别设置成60mL/min和60mL/min(样品标记为“C60”);或分别设置成100mL/min和100mL/min(样品标记为“C100”),其他操作条件均不变,从而得到了不同流量制备的Ni-Co-O-B复合材料。测试这些超级电容器材料在不同电流密度下的比电容,结果如表1所示。
表1
实施例3
(1)在本实施案例中,我们考察了KBH4溶液浓度对Ni-Co-O-B复合材料性能的影响。除了将实施案例1中的KBH4溶液浓度分别替换成0.1mol/L(样品标记为“C0.1”)、0.15mol/L(样品标记为“C0.15”)、0.25mol/L(样品标记为“C0.25”) 和0.3mol/L(样品标记为“C0.3”),其他操作条件均不变,从而得到了不同浓度的KBH4溶液制备的Ni-Co-O-B复合材料。测试这些超级电容器材料在不同电流密度下的比电容,结果如表2所示。
表2
对比例1:微撞击流反应器制备的Ni-Co-O复合材料
将总浓度为0.1mol/L的Ni2+-Co2+混合溶液与0.5%的NH3·H2O溶液同时以 80mL/min的流量进入微撞击流反应器发生高速撞击-沉淀反应,生成在前驱体在室温下搅拌陈化6h,等操作步骤与实施案例1相同,最终得到了粒径40-50 nm的Ni-Co-O复合材料。
将对比例1中制备的Ni-Co-O复合材料与实施例1的数据对比可知,硼掺杂的钴酸镍(Ni-Co-O-B)表现出比Ni-Co-O更高的比电容和循环寿命。这是因为硼掺杂提高了复合材料的导电性和结构稳定性,使Ni-Co-O-B材料在快速充放电的法拉第反应中不会出现结构坍塌和粉碎,从而表现出了优越的超级电容性能。
实施例4:Ni-Co-O-B电极的制备
a、将实施例1-3方法制备的Ni-Co-O-B粉末、乙炔黑和聚四氟乙烯微粉按 80:15:5的质量比放入研钵中,反复充分研磨后加入少量的N-甲基吡咯烷酮,再充分研磨10min得到粘稠浆料。将浆料均匀涂覆在1×1cm2泡沫镍上,在80℃干燥12h,最后在压片机上用10MPa压制5min,得到电极片。
b、以涂覆Ni-Co-O-B粉末的电极片作为工作电极,Hg/HgO为参比电极,铂丝为对电极,电解液为2mol/L的KOH。先将电极片浸泡在KOH电解液中活化 10h,然后采用传统的三电极体系进行超级电容器性能的测试。
微观表征
对Ni-Co-O-B复合材料及其前驱体进行了多个不同手段的微观表征,结果如下:
(1)由图2可知,实施例1中的Ni-Co-O-B前驱体的红外图中包含了-OH 的振动峰、Ni,Co-O的振动峰和B-O振动峰。
(2)由图3可知,实施例1中的Ni-Co-O-B复合材料包含了Ni元素、Co 元素、B元素和O元素。
(3)由图4和图5可知,实施例1中的Ni-Co-O-B复合材料颗粒粒径在30-40 nm,材料中Ni、Co、B和O元素均匀分布,颗粒表面包覆的一层薄膜为金属硼化物。
电化学性能测试
(1)微撞击流反应器在实施案例1中制备的Ni-Co-O-B复合材料的采用电化学分析仪测试其超级电容器性能:在不同扫描速度的循环伏安曲线如图6(a) 所示,材料有明显的氧化峰和还原峰,表现出赝电容特性;恒流充放电曲线表现出良好的对称性(图6(b));图6(c)是电极有良好的倍率性能,在1A/g、 2A/g、5A/g、10A/g电流密度下的比电容分别为2425F/g、2350F/g、2235 F/g和2010F/g;此外,Ni-Co-O-B超级电容器材料在5A/g下充放电循环3000 次后仍保持95.8%的比电容(图6(d))。
(2)图7分别是实施案例1中微撞击流反应器制备的Ni-Co-O-B复合材料和对比例1中合成的Ni-Co-O材料的超级电容性能对比,从中可以看出 Ni-Co-O-B复合材料表现出更高的比电容和循环寿命,这是因为硼掺杂提高了材料的结构稳定性。从该申请专利中可以看出,微撞击流反应器制备的Ni-Co-O-B 复合材料在超级电容器领域有很广阔的工业应用前景。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种硼掺杂钴酸镍复合材料的制备方法,其特征在于,该制备方法在专用反应器中进行,该专用反应器结构包括有:两个平流泵、两个储液罐、一个T型三通接头和一个搅拌槽反应器,两个平流泵分别记为1号平流泵、2号平流泵,两个储液槽分别记为1号储液槽、2号储液槽;
所述的T型三通接头的第一端口通过毛细管连接有1号平流泵,第二端口通过毛细管连接有2号平流泵,第三端口下方设置有一个搅拌槽反应器;1号平流泵与1号储液罐相连,2号平流泵与2号储液罐相连,还包括有一个分别与1号平流泵、2号平流泵相连并用于控制泵液流量的泵控制器; T型三通接头的出口未连接管子,它的构造相当于一个T型微撞击流反应器,实现微观混合效果;
该制备方法包括如下步骤:
S1:将所述的专用反应器的泵控制器设置好平流泵的流量,两个储液槽分别装有Ni2+、Co2+混合溶液和含硼前驱体溶液;
S2:同时启动两台平流泵,使含Ni2+、Co2+混合溶液和含硼前驱体溶液在所述专用反应器内的T型三通接头中高速撞击发生沉淀反应,沉淀物为硼掺杂钴酸镍前驱体;
S3:沉淀物流入搅拌槽反应器中陈化;
S4:前驱体再经洗涤、干燥、煅烧获得硼掺杂钴酸镍复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S1中,所设置的两台平流泵的流量分别为80 mL/min和80 mL/min。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S2中,所述的含Ni2+、Co2+混合溶液分别为NiSO4和Co(NO3)2的混合水溶液,所述的含硼前驱体为KBH4溶液。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,在步骤S2中,Ni2+、Co2+混合溶液的总浓度为0.1 mol/L,其中Ni2+: Co2+的摩尔比为= 3:1,所述KBH4溶液的浓度为0.1~0.3 mol/L。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在步骤S3中,沉淀物在室温下搅拌陈化6h。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特别在于:在步骤S4中,硼掺杂钴酸镍前驱体在氩气气氛中煅烧3 h。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的硼掺杂钴酸镍复合材料,其颗粒粒径30-40 nm,颗粒表面包覆一层金属硼化物薄膜。
8.一种根据权利要求7所述的硼掺杂钴酸镍复合材料在超级电容器电极中的应用,其特征在于,其制作方法包括如下步骤:
称取所述的硼掺杂钴酸镍复合材料、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按80:15:5的质量比放入研钵中,反复充分研磨后加入3-5滴的N-甲基吡咯烷酮,再充分研磨10 min得到粘稠浆料,将浆料均匀涂覆在1×1cm2泡沫镍上,在80℃干燥12 h,最后在压片机上用10 MPa压制5min,得到涂覆硼掺杂钴酸镍复合材料的电极片。
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