CN110429273A - 一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法 - Google Patents

一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法，以商业化纸巾为基底采用溶液法制备ZIF‑8纳米阵列，并通过较低的温度碳化得到ZnO纳米阵列电极。所制电极具有轻质、柔性、廉价等优点，这种ZnO纳米材料具有片状结构，排列密集拥有较好的锂电性能。

Description

一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备及电化学领域，涉及一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法。
背景技术
柔性便携式电子设备作为电子科技发展的一种趋势备受关注，在军事、医疗、生物等领域有着可期待的应用前景，具有柔性、轻质、价格低廉等特点的高效储能设备越来越受人们青睐。目前常见的柔性基底材料有泡沫镍、碳布等，但这些材料不满足轻质的条件，限制了其在便携式产品中的应用。而以纸巾为基底不仅具有一定的柔性还十分轻质，满足人们对便携式柔性设备的要求，为柔性电极材料提供了一个新的选者。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，合成一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料。以纸巾为基底，采用低温界面聚合方法包覆聚吡咯，通过室温溶液法生长ZIF-8，并在较低的温度下进行碳化处理，合成出具有一定柔性的轻质电极材料。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1:以纸巾为基底，采用吡咯在环己烷/水(有机/无机)界面低温界面聚合的方法制备导电聚吡咯包覆纸，其中，无机相为三氯化铁与对甲苯磺酸混合分散在去离子水中得到，有机相为吡咯单体溶于环己烷中得到；
S2:以步骤S1所得到的材料为基底，在室温下，将基底浸入含有六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的水溶液中静置一段时间，通过金属离子(Zn2+)与有机配体（2-甲基咪唑）配位，自生长ZIF-8纳米阵列，得到ZIF-8@PPy@Paper，并依次用去离子水、乙醇清洗后做干燥处理；
S3:将步骤S2获得的材料在保护气体下进行碳化处理，得到ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极。
其中，所述步骤S1中环乙烷与去离子水的体积比为1:1。
其中，所述步骤S1中三氯化铁与对甲苯磺酸的摩尔比为1:1。
其中，所述步骤S1中低温界面聚合温度为-10 ~ 5 ℃。
其中，所述步骤S1中低温界面聚合的反应时间为12 ~ 48 h。
其中，所述步骤S1中吡咯单体与环己烷的用量体积比为0.1-0.5:9。
其中，所述步骤S2中ZIF-8纳米阵列通过六水合硝酸锌和2-甲基咪唑制备得到，其中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为(1 ~ 3):16。
其中，所述步骤S2中溶液法反应时间为1-3 h;反应温度为室温。
其中，所述步骤S3中碳化温度为500 ~ 700 ℃，升温速率为2 ~ 5 ℃/分，保温时间为2 ~ 3 h，保护气体为Ar或Ar/H2混合气。
本发明的显著优点：本发通过简单的低温聚合，溶液反应和随后的碳化过程成功地制备了一种轻质廉价无粘结剂的电极。该电极以纸巾为基底相比于以铜箔、碳布等材料为集流体的电极来说重量大大降低，十分契合目前便携式电子设备对轻质的追求，为便携式电子设备电极材料的设计提供了新的思路。采用溶液法直接生长活性材料，避免了粘结剂的使用，减少了电极材料的“死面积”出现，有利于提高电极材料的电化学性能。
附图说明
图1是低温界面聚合法包覆聚吡咯实物图；
图2是所合成的ZIF-8@PPY@Paper的扫描电镜图；
图3是所合成的ZnO@NC@CP的扫描电镜图；
图4是所合成的ZnO@NC@CP的实物图；
图5是所合成的ZnO@NC@CP的XRD图谱；
图6是所合成的ZnO@NC@CP的长循环性能图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
将三氯化铁与对甲苯磺酸以1:1摩尔比混合分散在9 ml去离子水中，得到无机溶液；将100 μl吡咯单体溶于9 ml环己烷中，得到有机溶液。将上述9ml无机溶液倒入表面皿中并将纸巾剪切为4x4 cm2的正方形置于表面皿内使其充分沁润后倒入上述无机溶液，置于冰箱-10℃冷藏12 h。通过吡咯在有机/无机界面低温界面聚合的方法制备导电聚吡咯包覆纸。将上述步骤所制备得到的基底浸入含有六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的水溶液中静置2 h。其中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:16。得到ZIF-8@PPy@Paper纳米阵列后，依次用去离子水、乙醇清洗后做干燥处理。将ZIF-8@PPy@Paper在Ar保护下以2 ℃/分的升温速率升温至550 ℃碳化2 h，得到ZnO@NC@CP柔性电极材料。
实施例2
将三氯化铁与对甲苯磺酸以1:1摩尔比混合分散在9 ml去离子水中，得到无机溶液；将150 μl吡咯单体溶于9 ml环己烷中，得到有机溶液。将上述9ml无机溶液倒入表面皿中并将纸巾剪切为4x4 cm2的正方形置于表面皿内使其充分沁润后倒入上述无机溶液，置于冰箱5℃冷藏12 h。通过吡咯在有机/无机界面低温界面聚合的方法制备导电聚吡咯包覆纸。将上述步骤所制备得到的基底浸入含有六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的水溶液中静置2 h。其中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:16。得到ZIF-8@PPy@Paper纳米阵列后，依次用去离子水、乙醇清洗后做干燥处理。将ZIF-8@PPy@Paper在Ar保护下以5 ℃/分的升温速率升温至600℃碳化2 h，得到ZnO@NC@CP柔性电极材料。
如图1所示通过低温聚合后溶液变为黑色，表明聚吡咯已经形成。通过溶液法制备得到的ZIF-8如图2所示呈现出相互交错的纳米片状，这种结构有利于电解液的渗透。经过600 ℃碳化后材料仍然保持着很好的微观形貌且具有一定的柔性如图3、图4所示。由图5的XRD表征可知所得材料为纯的ZnO物相。将所得材料组装成半电池并测试其电化学性能，如图6所示在500 mA g-1的电流密度下经过200个循环后材料仍保持着363 mAh g-1的较高容量。
以上所述仅为本发明的代表实施例，凡是依据本发明申请专利范围内所做的修饰与变化，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:以纸巾为基底，采用吡咯在有机/无机界面低温界面聚合的方法制备导电聚吡咯包覆纸，其中，无机相为三氯化铁与对甲苯磺酸混合分散在去离子水中得到，有机相为吡咯单体溶于环己烷中得到；
S2:以导电聚吡咯包覆纸为基底，将基底浸入含有六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的水溶液中静置一段时间，通过溶液法自生长ZIF-8纳米阵列，得到ZIF-8@PPy@Paper，并依次用去离子水、乙醇清洗后做干燥处理；
S3:将步骤S2获得的材料在保护气体下进行碳化处理，得到ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于: 所述步骤S1中环乙烷与去离子水的体积比为1:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S1中三氯化铁与对甲苯磺酸的摩尔比为1:1。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S1中低温界面聚合的温度为-10 ~ 5 ℃。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S1中低温界面聚合的反应时间为12 ~ 48 h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S1中吡咯单体与环己烷的用量体积比为0.1-0.5:9。
7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S2中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为(1 ~ 3) : 16。
8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤S2中溶液法反应时间为1-3h；反应温度为室温。
9. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中碳化温度为500 ~ 700℃，升温速率为2 ~ 5 ℃/分，保温时间为2 ~ 3 h，保护气体为Ar或Ar/H2混合气。
10.如权利要求1-9任一所述的制备方法制得的ZnO@NC@CP纳米阵列柔性电极材料。
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