CN110112002A - ZnO-CoO@NC介孔微米球、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ZnO‑CoO@氮掺杂碳(NC)介孔微米球材料、制备方法及其应用。以Zn(NO3)2∙6H2O、Co(NO3)2∙6H2O、(NH4)2CO3为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为结构导向剂和碳源,以水‑无水乙醇混合溶液作为溶剂,通过水热反应制备前驱体,然后在N2下退火得到表面富含氧空位缺陷的ZnO‑CoO@NC介孔微米球材料。该ZnO‑CoO@NC介孔微米球材料外形均匀、形貌一致,表面富含氧空位缺陷,有利于电化学性的提高;且其制备过程只需水热和煅烧两步,不需要复杂的后处理,制备工艺简单且绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面富含氧空位缺陷的ZnO-CoO@NC介孔微米球材料、制备方法,属于新材料和能源化工领域。
背景技术
电极材料是决定超级电容器储能性能最重要的因素之一。作为赝电容材料,尽管CoO具有高的理论比容量,但是导电性差的缺点限制了它在超级电容器方面的单独应用。ZnO具有优良的电子导电性,可以在电极材料中起着机械支撑作用提高其它组分材料的导电性能,但是其容量低。因此,常采用复合技术将CoO或者ZnO与其它材料结合,获得复合电极材料来改善其电化学性能。文献(Pang, Huan, et al. "Facile synthesis of porousZnO–NiO composite micro polyhedrons and their application for high powersupercapacitor electrode materials." Dalton Transactions, 2012, 41(43):13284-13291.)采用水热法和高温煅烧的方法制备了ZnO–NiO材料,可以用作高功率超级电容器电极材料,但其循环性能还需要进一步提高。文献(Yang M, Lv F, Wang Z, et al.Binder-free hydrogenated NiO–CoO hybrid electrodes for high performancesupercapacitors[J]. RSC Advances, 2015, 5(40): 31725-31731.)通过电沉积技术结合后续N2-H2的混合气体中的煅烧制备一体化电极Ni@NiO–CoO。该工艺耗能高,危险系数大,同时需要利用泡沫镍电极作为支撑材料,不太适合大规模生产。文献(Zeng W, Wang L,Shi H, et al. Metal–organic-framework-derived ZnO@C@NiCo2O4 core–shellstructures as an advanced electrode for high-performance supercapacitors[J].Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(21): 8233-8241.)通过两步水热外加电沉积的方法制备了ZnO@C@NiCo2O4核壳超级电容器电极材料。此方法过程复杂,且得到的复合材料循环稳定性较差(充放电循环4000圈,容量保持率只有76%)。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面富含氧空位缺陷的ZnO-CoO@NC介孔微米球材料、制备方法及其在超级电容器中的应用性能。
实现本发明目的的技术解决方案是:一种ZnO-CoO@NC介孔微米球材料,所述的介孔微米球材料表面富含氧空位缺陷,由NC包覆相互复合(相互掺杂)的ZnO和CoO材料组成,其中,ZnO和CoO的摩尔比为1: 2。
上述介孔微米球材料是由纳米砖组成的介孔微球材料。
上述介孔微米球材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,将PVP,Zn(NO3)2∙6H2O,Co(NO3)2∙6H2O加入无水乙醇中,搅拌至充分溶解;
步骤2,将(NH4)2CO3溶液逐滴加入步骤1中溶液,充分搅拌至完全混合;
步骤3,将步骤2的混合溶液进行水热反应,冷却后进行离心、洗涤、干燥,制得前驱体材料;
步骤4,将所述前驱体材料进行高温煅烧。
进一步的,步骤1中,Zn(NO3)2∙6H2O与Co(NO3)2∙6H2O的摩尔比为1:2;PVP与Zn(NO3)2∙6H2O的质量比为0~6.7。
进一步的,步骤2中,(NH4)2CO3与步骤1中Zn(NO3)2∙6H2O的质量比为0.97~3.88。
进一步的,步骤3中,水热反应的时间为4~10 h,水热反应的温度为120~200 ℃。
进一步的,步骤4中,煅烧温度为350~600 ℃,煅烧时间为1~3 h,煅烧的气氛为惰性气氛。
本发明与现有技术相比,具有以下显著优点:1、本发明合成工艺简单,生产成本低,利于低成本的大规模生产,且反应试剂无毒,对环境污染小。2、制备的ZnO-CoO@NC微米球材料形貌均匀、介孔结构、比表面积大,表面富含氧空位缺陷。3、由于ZnO和NC的高导电性、组分之间的强相互作用、NC层的保护作用,制备的材料具有优异的循环性能,实际应用性强。
附图说明
附图1a为本发明实施例1中所得Zn-Co@C precursor(ZnO-CoO@NC的前驱体)的XRD图, 附图1b是发明实施例1中所得ZnO-CoO@NC的XRD图。
附图2为本发明实施例1中所得ZnO-CoO@NC在不同放大倍率下的SEM图。附图3为本发明实施例1中所得ZnO-CoO@NC的EDS图。
附图4为本发明实施例1中所得的ZnO-CoO@NC的TEM图(a)和循环寿命测试图(b)。
附图5为本发明实施例2中所得的ZnO-CoO的TEM图(a)和循环寿命测试图(b)。
附图6为本发明实施例3中所得的ZnO-CoO@NC电极材料的循环伏安曲线(a)和恒电流充放电曲线图(b)。
附图7为本发明实施例3中所得的ZnO-CoO@NC的TEM图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明做进一步说明:
本发明采用PVP作为碳源和形貌调控剂,同时还利用其制造材料的表面氧空位缺陷,获得了高电化学性能的超级电容器电极材料。
实施例1:
一种ZnO-CoO@NC介孔微米球,其制备方法如下:
将0.5 g PVP、0.29749 g Zn(NO3)2∙6H2O和0.58206 g Co(NO3)2∙6H2O 溶解于30 mL无水乙醇中,磁力搅拌15分钟至充分溶解。接着,在强力搅拌下,将溶解有0.57654 g (NH4)2CO3 的5 mL水溶液缓慢滴加入溶液中,搅拌20分钟。然后,将上述混合液转入聚四氟乙烯反应釜中,150 ℃反应8 h。反应结束后,自然冷却至室温,经离心洗涤干燥得到前驱体。最后,将前驱体于管式炉中N2氛围下400 ℃高温煅烧2 h,得到最终产物即为ZnO-CoO@NC复合材料。
前驱体Zn-Co@C precursor和ZnO-CoO@NC复合材料的XRD如图1所示。图1a证实前驱体为ZnCO3和CoCO3的复合物。图1b中ZnO-CoO@NC的XRD衍射峰与标准的ZnO和CoO的特征衍射峰相近,但多个峰略有的偏移,这与表面的氧空位缺陷有关。ZnO-CoO@NC在不同倍率下的SEM图如2所示,图2a证实实施例1制备的ZnO-CoO@NC微球形貌均一,图2b说明ZnO-CoO@NC微球是由很多纳米砖组装而成的。由图3可知ZnO-CoO@NC由Co、Zn、N、O、C种元素组成。图4a中ZnO-CoO@NC复合材料的TEM进一步说明其微米球由很多纳米砖自组装而成,且纳米砖上有无数的介孔。
对实施例1制得的ZnO-CoO@NC复合材料进行储能性能测试。具体测试方法:按照质量比80:10:10,依次称取反应产物、导电碳黑、聚四氟乙烯,在研钵中充分混合均匀,然后涂覆在泡沫镍上。把制备的电极在60 ℃烘箱中烘干后称重,然后在10 MPa压力下压片得测试电极。在2 M KOH溶液中以Hg/HgO为参比电极、铂片为对电极进行电化学测试。图4b显示,在2 A g-1的电流密度下循环40000圈后,比电容仍然可以保持最初的92%,显示出非常优异的循环稳定性。测得该材料在不同电流密度下对应比电容如下表所示:
表1 实施例1所得ZnO-CoO@NC超级电容器材料测试数据
电流密度(A g<sup>-1</sup>) | 0.5 | 1 | 2 | 5 | 10 |
比电容(F g<sup>-1</sup>) | 300.9 | 289.4 | 275.4 | 253.5 | 232.4 |
实施例2:
一种ZnO-CoO@NC介孔微米球,其制备方法如下:
将0g PVP、0.29749 g Zn(NO3)2∙6H2O和0.58206 g Co(NO3)2∙6H2O 溶解于30 mL无水乙醇中,磁力搅拌10分钟至充分溶解。接着,在强力搅拌下,将溶解有0.28827 g (NH4)2CO3 的5 mL水溶液缓慢滴加入溶液中,搅拌15分钟。然后,将上述混合液转入聚四氟乙烯反应釜中,200 ℃反应10 h。反应结束后,自然冷却至室温,经离心洗涤干燥得到前驱体。最后,将前驱体于管式炉中N2氛围下600 ℃高温煅烧1 h得到最终产物即为ZnO-CoO复合材料。
对实施例2制得的ZnO-CoO复合材料进行TEM测试,如图5a所示。ZnO-CoO是很不规则的球体,也是有很多纳米砖组成,但是明显比实施例1制得的ZnO-CoO@NC的大的多,这说明反应时间以及PVP的量可以调节复合材料的形貌。在与实施例1相同的测试条件下对实施例2制得的ZnO-CoO进行循环稳定性测试,结果如图5b。在循环30000圈后,比电容仅为最初的70%,其循环稳定性远远差于实施例1制得的ZnO-CoO@NC。实施例2制得的ZnO-CoO在不同电流密度下测得的比电容远远小于实施例1制得的ZnO-CoO@NC的比电容,如表2所示:
表2 实施例2所得ZnO-CoO超级电容器材料测试数据
电流密度(A g<sup>-1</sup>) | 0.5 | 1 | 2 | 5 | 10 |
比电容(F g<sup>-1</sup>) | 79.6 | 76.9 | 72.4 | 48.7 | 29.5 |
实施例3:
一种ZnO-CoO@NC介孔微米球,其制备方法如下:
将2 g PVP、0.29749 g Zn(NO3)2∙6H2O和0.58206 g Co(NO3)2∙6H2O 溶解于30 mL无水乙醇中,磁力搅拌20分钟至充分溶解。接着,在强力搅拌下,将溶解有1.15308 g (NH4)2CO3的5 mL水溶液缓慢滴加入溶液中,搅拌30分钟。然后,将上述混合液转入聚四氟乙烯反应釜中,120 ℃反应4 h。反应结束后,自然冷却至室温,经离心洗涤干燥得到前驱体。最后,将前驱体于管式炉中N2氛围下350 ℃高温煅烧3 h,得到最终产物即为ZnO-CoO@NC复合材料。
对实施例3制得的ZnO-CoO@NC复合材料进行电化学测试,结果如图6所示。循环伏安曲线(图6a)有两对氧化还原峰,说明ZnO-CoO@NC发生了可逆的氧化还原法反应,是赝电容材料。扫描速率从5 mV/s增加到50 mV/s,CV曲线没有发生形变,说明材料具有好的倍率性能。恒电流充放电曲线(图6b)有明显的平台,进一步证实了材料的赝电容特点。图7为实施例3制得的ZnO-CoO@NC的TEM图,由图可知组成ZnO-CoO@NC的纳米砖的体积介于实施例1制备的ZnO-CoO@NC和实施例2制备的ZnO-CoO的纳米砖之间。
Claims (9)
1. ZnO-CoO@NC介孔微米球材料,其特征在于,所述的介孔微米球材料表面富含氧空位缺陷,由NC包覆相互掺杂复合的ZnO和CoO材料组成,其中,ZnO和CoO的摩尔比为1: 2。
2.如权利要求1所述的介孔微米球材料,其特征在于,所述介孔微米球材料由纳米砖组成。
3.如权利要求1或2所述的介孔微米球材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,将PVP,Zn(NO3)2∙6H2O,Co(NO3)2∙6H2O加入无水乙醇中,搅拌至充分溶解;
步骤2,将(NH4)2CO3溶液逐滴加入步骤1中溶液,充分搅拌至完全混合;
步骤3,将步骤2的混合溶液进行水热反应,冷却后进行离心、洗涤、干燥,制得前驱体材料;
步骤4,将所述前驱体材料进行高温煅烧。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤1中,Zn(NO3)2∙6H2O与Co(NO3)2∙6H2O的摩尔比为1:2;PVP与Zn(NO3)2∙6H2O的质量比为0~6.7。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤2中,(NH4)2CO3与步骤1中Zn(NO3)2∙6H2O的质量比为0.97~3.88。
6. 如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤3中,水热反应的时间为4~10 h,水热反应的温度为120~200 ℃。
7. 如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤4中,煅烧温度为350~600 ℃,煅烧时间为1~3 h,煅烧的气氛为惰性气氛。
8.如权利要求1或2所述的介孔微米球材料作为超级电容器电极材料的应用。
9.如权利要求3-7任一所述的方法制备的介孔微米球材料作为超级电容器电极材料的应用。
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2018
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