CN110600273A - 一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料技术领域,公开了一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料及其制备方法。通过等离子体放电法制备掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料。本发明制备工艺流程快速简单,成本低;得到的复合电极材料可以直接作为工作电极,具有优异的电化学性能,便于产业化应用。本发明所制备的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料具有多孔网络状结构,其质量容量高达1902F/g,并且具有优异的倍率性能和循环稳定性,可以应用于超级电容器及电池的电极。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域,在于公开一种过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料及其制备方法。
背景技术
能源和环境问题是目前世界各国共同关注的重要课题,新型绿色能源的开发及能量转换与存储备受关注。虽然锂离子电池具有能量密度高等优点,但是其功率密度低、循环稳定性差、安全性差等问题限制了其应用。超级电容器作为一种高效的化学电源具有功率密度高,充放电速度快,循环寿命长,环境友好等优点,故受到广泛关注,在汽车产品及便携式消费类电子产品等领域具有广阔的应用前景。
超级电容器存在的主要问题是能量密度低。电极材料是影响超级电容器储能性能的关键因素。单一的电极材料在使用时很难满足超级电容器的所有性能要求,因此开发复合电极材料是提高超级电容器性能尤其是其能量密度的有效途径。近年来,过渡金属硒化物和石墨烯受到人们越来越多的关注,如何将这两类材料有效的复合构筑高性能的电极材料是一个极为复杂的课题,因为,其中需要控制的参数较多。
发明内容
鉴于现有技术上的缺陷,本发明的目的在于公开一种具有高质量容量,优异的倍率性能和循环稳定性的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料,可用于非对称超级电容器或电池的电极材料。本发明通过等离子体放电方式,在过渡金属硒化物和有序多孔石墨烯气凝胶上同时掺杂非金属元素,合成掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料。
本发明的技术方案:
一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料,所述的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料是通过等离子体放电方式,在过渡金属硒化物和有序多孔石墨烯气凝胶上同时掺杂非金属元素。
所述的非金属元素为氮、硼、磷、硫中的一种或两种以上混合。
所述的过渡金属硒化物为硒化镍或硒化钴或镍钴双金属硒化物。
一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的制备方法,步骤如下:
第一步,过渡金属前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶的制备:以0.5-12mg/mL的氧化石墨烯分散液为原料,将镍源或钴源或二者的混合物加入其中,使得镍离子或钴离子或二者混合离子的浓度为0.002-0.02mmol/mL;再加入模板,模板完全被上述混合液浸没,然后利用水热反应合成过渡金属-还原氧化石墨烯-模板剂水凝胶,水热反应的温度为80-180℃,反应的时间为1-24h;经去除模板、冷冻干燥和煅烧得到过渡金属基前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料;
第二步,过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的制备:利用硒源将第一步得到的过渡金属前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料硒化,硒与过渡金属的摩尔比为1:1-10:1,合成过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料;
第三步,将非金属元素源和过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料置于等离子体放电区域,调节放电功率为10-800W,放电时间5s-48h,实现非金属元素在过渡金属硒化物和有序多孔石墨烯气凝胶上的共掺杂,非金属元素掺杂量atm%不少于20%。
第一步中,模板剂为三聚氰胺泡沫、聚苯乙烯球中的一种;
镍源为六水硝酸镍、六水氯化镍、四水醋酸镍中的一种;
钴源为六水硝酸钴、六水氯化钴、四水醋酸钴中的一种;
第一步中,冷冻干燥时间为24-72小时,煅烧温度为400-1000℃,煅烧时间0.5-10h。
第二步中,硒化的方法为气相硒化法、溶剂热法、微波辅助溶剂热法中的一种。
第二步中,硒源为硒粉或亚硒酸钠。
第二步中,气相硒化法的操作温度为300-500℃,反应时间为1-8小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料。
第二步中,溶剂热法的操作温度为130-200℃,反应时间为0.5-10小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序石墨烯气凝胶复合电极材料。
第二步中,微波辅助溶剂热法的操作温度为120-200℃,反应时间为0.1-4小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序石墨烯气凝胶复合电极材料。
第三步中,所述的等离子体放电方式为介质阻挡放电、微波放电、射频放电中的一种;将非金属源以气体状态或汽化之后通入到等离子体放电区域;调节掺杂条件包括非金属源通入量、放电功率、放电时间中的一种或两种以上混合;
氮源为氮气或三聚氰胺中的一种;
硼源为硼酸或三甲基硼中的一种;
磷源为磷化氢、红磷或次亚磷酸钠。
本发明的有益效果:
1)本发明提供了一种制备掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的新方法,制备工艺简单,易于操作;
2)本发明得到的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料中,非金属元素均匀分布在过渡金属硒化物和石墨烯气凝胶上,具有有孔三维结构,具有高质量比容量,良好的倍率性能和循环稳定性,便于产业化应用。
附图说明
图1为本发明的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的制备流程图。
图2为本发明一个较佳实施例中制备的掺杂型NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的扫描电子显微镜(SEM)图。
图3为本发明一个较佳实施例的掺杂型NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的倍率性能图。
图4为本发明一个较佳实施例的掺杂型NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的循环稳定性图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,以下所有实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料及其制备方法,包括以下步骤:
将NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料放置在介质阻挡放电反应器中,并将氨气以80mL/min通入到介质阻挡放电反应器的放电区域,设置放电功率为20W,在25度下放电2小时,得到氮掺杂的NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料。
如图1所示,本发明的一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶整体制备方法简单易行。
本实施例得到的氮掺杂型NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的SEM照片显示如图2所示。
以本实施例所制备的电极材料为工作电极,以饱和甘汞电极作为参比电极,以铂片电极作为对电极,以2mol/L的氢氧化钾作为电解液,形成三电极体系,在电压范围-0.2~0.6V内,进行恒电流充放电测试,其不同电流密度下的比电容结果如图3所示。当电流密度为1A/g时,材料的质量比容量为1902F/g;当电流密度达到20A/g时,材料的质量比容量仍然可达到1098F/g,表明了该材料作为储能材料具有优异的倍率性能。
以本实施例所制备的电极材料为工作电极,以饱和甘汞电极作为参比电极,以铂片电极作为对电极,以2mol/L的氢氧化钾作为电解液,形成三电极体系,在电压范围0~0.6V内,在电流密度为10A/g条件下进行反复的恒电流充放电测试,其结果如图4所示。当进行5000个循环充放电后,材料的质量比电容仍保持在初始容量的94.5%,表明了该材料作为储能材料具有优异的稳定性。
实施例2
将NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料放置在介质阻挡放电反应器中,并将氨气以80mL/min通入到介质阻挡放电反应器的放电区域,设置放电工位为40W,在25度下放电1小时,得到氮掺杂的NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料。
实施例3
将NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料放置在介质阻挡放电反应器中,将氩气通入到3.5%的硼酸溶液中,使之将硼酸带入到介质阻挡放电反应器的放电区域,设置放电电压为25kV,频率为12kHz,在25度下放电1小时,得到硼掺杂的NiSe2/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料。
Claims (9)
1.一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料,其特征在于,所述的掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料是通过等离子体放电方式,在过渡金属硒化物和有序多孔石墨烯气凝胶上同时掺杂非金属元素;
所述的非金属元素为氮、硼、磷、硫中的一种或两种以上混合;
所述的过渡金属硒化物为硒化镍或硒化钴或镍钴双金属硒化物。
2.一种掺杂型过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
第一步,过渡金属前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶的制备:以0.5-12mg/mL的氧化石墨烯分散液为原料,将镍源或钴源或二者的混合物加入其中,使得镍离子或钴离子或二者混合离子的浓度为0.002-0.02mmol/mL;再加入模板,模板完全被上述混合液浸没,然后利用水热反应合成过渡金属-还原氧化石墨烯-模板剂水凝胶,水热反应的温度为80-180℃,反应的时间为1-24h;经去除模板、冷冻干燥和煅烧得到过渡金属基前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料;
第二步,过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料的制备:利用硒源将第一步得到的过渡金属前驱体/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料硒化,硒与过渡金属的摩尔比为1:1-10:1,合成过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料;
第三步,将非金属元素源和过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合材料置于等离子体放电区域,调节放电功率为10-800W,放电时间5s-48h,实现非金属元素在过渡金属硒化物和有序多孔石墨烯气凝胶上的共掺杂,非金属元素掺杂量atm%不大于20%。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,
第一步中,模板剂为三聚氰胺泡沫、聚苯乙烯球中的一种;
镍源为六水硝酸镍、六水氯化镍、四水醋酸镍中的一种;
钴源为六水硝酸钴、六水氯化钴、四水醋酸钴中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,
第一步中,冷冻干燥时间为24-72小时,煅烧温度为400-1000℃,煅烧时间为0.5-10h。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,
第二步中,硒源为硒粉或亚硒酸钠;
硒化的方法为气相硒化法、溶剂热法、微波辅助溶剂热法中的一种。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
第二步中,气相硒化法的操作温度为300-500℃,反应时间为1-8小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序多孔石墨烯气凝胶复合电极材料。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
第二步中,溶剂热法的操作温度为130-200℃,反应时间为0.5-10小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序石墨烯气凝胶复合电极材料。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
第二步中,微波辅助溶剂热法的操作温度为120-200℃,反应时间为0.1-4小时,待反应结束后,将产物清洗,烘干得到过渡金属硒化物/有序石墨烯气凝胶复合电极材料。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
第三步中,所述的等离子体放电方式为介质阻挡放电、微波放电、射频放电中的一种;将非金属源以气体状态或汽化之后通入到等离子体放电区域;调节掺杂条件包括非金属源通入量、放电功率、放电时间中的一种或两种以上混合;
氮源为氮气或三聚氰胺中的一种;
硼源为硼酸或三甲基硼中的一种;
磷源为磷化氢、红磷或次亚磷酸钠。
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