CN110890228B - 一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法 - Google Patents

一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超级电容器电极材料技术领域,具体涉及一种用于酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法。针对可用于酸性水溶液中的阴极材料很少或性能较低,本发明是将二硫化钼和三氯化钌按一定比例加入纤维素中,混合均匀,涂覆到处理好的钛板上,烘干后煅烧得到RuO2‑MoO3/Ti阴极材料。最后发现其可作为阴极材料在酸性水溶液中使用且具有一定性能,并且成本较低,工艺简单,易于得到。

Description

一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料技术领域,具体涉及一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法。
背景技术
燃料电池领域的阴极材料研究最多,主要是稀土元素(La、Nd、Pr 等)占据A 位的围绕具有离子-电子混合传导特性的A2BO4型类钙钛矿结构材料,与各种电解质结合后,表现出优良的阴极材料性能。室温下工作的超级电容器材料,其阴极材料常用的有泡沫Ni、碳材料和二维层状的过渡金属硫化物,但这些材料无法用于酸性溶液的超级电容器。在酸性溶液中使用、与金属氧化物阳极配合并能构成两电极形成电池的阴极材料研究较少,主要有钛网和不锈钢网,耐酸腐蚀。三氧化钼是一种稳定的阴极材料,近年来较多应用于锂离子电池的阴极材料,其电解质主要采用能耐高电压而不分解的有机溶剂和电解质。由于水的理论分解电压只有1.23V,即使考虑到氢或氧的过电位,以水为溶剂的电解液体系的电池的电压最高也只有2V左右,很难满足3-4 V的电压要求,因此对以水为溶剂的电解液体系的电池研究很少。但水为溶剂的电解液体系获得最容易,找到一种在该体系中特别是酸性水溶液中应用的阴极材料是关键。本发明提供一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料,将导电性较差的三氧化钼和导电性、理论比容量和循环稳定性能均很好的RuO2合成,制备出可在酸性水溶液中工作的具有优良性能的阴极材料。
发明内容
本发明提供一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料及其制备方法。主要是将二硫化钼和三氯化钌按一定比例均匀混合于纤维素中,然后制成涂液涂刷到钛板上,烘干,经热分解法得到RuO2-MoO3/Ti阴极材料。主要步骤为:
(1)将二硫化钼(MoS2)加入纤维素中,混合均匀;
(2)将三氯化钌(RuCl3含钌37%)加入步骤(1)的混合液中,混合均匀后制成涂液;
(3)取涂液对钛板进行涂刷,待涂覆均匀后将烘干,冷却后重复上述涂覆过程,直到涂覆的总载量为0.8~1.2 mg/cm2,最后将样品在500~550 ℃的退火温度下保温40~60min,获得不同钌含量的RuO2-MoO3/Ti阴极。
进一步地,步骤(3)中钼与钌的金属离子摩尔比为1-20:1。
有益效果:本发明的RuO2-MoO3/Ti电极材料在负电位下能够有效吸附酸性溶液中的H+而储存电荷,而泡沫Ni、碳材料和二维层状的过渡金属硫化物无法实现相同作用,所以本发明材料可在酸性水溶液中作为阴极材料使用,且具有一定性能;加入的三氯化钌氧化后形成的二氧化钌均匀的分布在三氧化钼中,由于二氧化钌具有优异的甚至优于金属钌的导电性,能够实现有效的电子转移,所以大大提高了复合电极的导电性。随着三氯化钌添加量的增加,电极的比电容呈现先增加后减小的趋势,在钼与钌的金属离子摩尔比为20:1时性能较好。
附图说明:
图1为实施例1制得的RuO2-MoO3/Ti阴极材料的扫描电镜图;
图2 为扫描速度为50mV/s下,实施例1-3制备的RuO2-MoO3/Ti阴极材料和MoO3/Ti阴极材料的循环伏安曲线;
图3为实施例1-3制备的RuO2-MoO3/Ti阴极材料和MoO3/Ti阴极材料的阻抗谱图;
图4为实施例1-3制备的RuO2-MoO3/Ti阴极材料和MoO3/Ti阴极材料的充放电曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)取0.1g的二硫化钼(MoS2)加入纤维素中,磁力搅拌10 min,混合均匀。
(2)将三氯化钌(RuCl3含钌37%)按钼与钌的金属离子摩尔比为20:1的比例加入MoS2和纤维素的混合物中,磁力搅拌30 min后制成涂液。
(3)取适量涂液对钛板进行单面涂刷,待涂覆均匀后将钛板放在烘箱中70℃下烘干10 min,冷却后重复上述涂覆过程,直到涂覆的总名义载量为1.2 mg/cm2,最后将样品在500 ℃的退火温度下保温1 h,获得钼与钌的金属离子摩尔比为20:1的RuO2-MoO3/Ti阴极材料。
实施例2
(1)取0.1g的二硫化钼(MoS2)加入纤维素中,磁力搅拌10 min,混合均匀。
(2)将三氯化钌(RuCl3含钌37%)按钼与钌的金属离子摩尔比为9:1的比例加入MoS2和纤维素的混合物中,磁力搅拌30 min后制成涂液。
(3)取适量涂液对钛板进行单面涂刷,待涂覆均匀后将钛板放在烘箱中70℃下烘干10 min,冷却后重复上述涂覆过程,直到涂覆的总名义载量为1.2 mg/cm2,最后将样品在500 ℃的退火温度下保温1 h,获得钼与钌的金属离子摩尔比为9:1的RuO2-MoO3/Ti阴极材料。
实施例3
(1)取0.1g的二硫化钼(MoS2)加入纤维素中,磁力搅拌10 min,混合均匀。
(2)将三氯化钌(RuCl3含钌37%)按钼与钌的金属离子摩尔比为5:5的比例加入MoS2和纤维素的混合物中,磁力搅拌30 min后制成涂液。
(3)取适量涂液对钛板进行单面涂刷,待涂覆均匀后将钛板放在烘箱中70℃下烘干10 min,冷却后重复上述涂覆过,直到涂覆的总名义载量为1.2 mg/cm2,最后将样品在500 ℃的退火温度下保温1 h,获得钼与钌的金属离子摩尔比为5:5的RuO2-MoO3/Ti阴极材料。
图1为实施例1制得的RuO2-MoO3/Ti阴极材料的扫描电镜图。层片状的即为三氧化钼,针状的即为二氧化钌,从图中可以看出二氧化钌均匀的分布于三氧化钼中。
图2为不同RuO2含量制备的RuO2-MoO3/Ti电极在50mV/s扫速下的循环伏安曲线。当添加少量RuO2时,电极的电容性能有很大提升,如实例1。但添加过量的RuO2时,电容性能比未添加RuO2时更差,这可能是由于高温煅烧后过多的二氧化钌附着在三氧化钼表面,对其产生阻碍作用。
图3为不同RuO2含量制备的RuO2-MoO3/Ti电极的阻抗谱图,由图可以看出随着钌含量的增加,电极的传荷电阻有所减小,促进了电子的转移,性能得到改善。并且由于RuO2的加入,电容得到显著提升。
图4为不同RuO2含量制备的RuO2-MoO3/Ti阴极材料和MoO3/Ti阴极材料的充放电曲线。可以看出阴极材料可在负电位下进行充放电,且最低电位可以达到-0.35,说明其可在酸性溶液中使用,并在负电位下具有一定性能,可实现与金属氧化物阳极配合并构成两电极形成电池。
上述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种酸性水溶液中的钌掺杂MoO3阴极材料的制备方法,其特征在于:将二硫化钼和三氯化钌加入纤维素中,混合均匀,涂覆到处理好的钛板上,烘干,经热分解法得到RuO2-MoO3/Ti阴极材料;具体包含以下步骤:
(1)将二硫化钼加入纤维素中,磁力搅拌,混合均匀;
(2)将三氯化钌加入步骤(1)的混合液中,混合均匀后制成涂液;
(3)将涂液涂刷到钛板上,待涂覆均匀后烘干,最后热分解获得RuO2-MoO3/Ti阴极材料;
步骤(3)中钼与钌的金属离子摩尔比为20:1;步骤(3)中热分解是在500~550℃下煅烧40~60min。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)的涂覆载量为0.8~1.2 mg/cm2
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