CN113380554B - 一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源材料领域,具体涉及一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料及其制备方法和应用。采用的技术方案是:首先对碳纤维布进行活化处理,在碳布表面引入含氧官能团,然后采用电沉积技术在活化碳布表面生长VOx,最后,在VOx表面再镀上一层MoPO4。氧化钒作为赝电容电极具有成本低,易于制造以及多电子转移等优点,具有非常好的发展前景。复合材料中的MoPO4薄层可以显著改善电化学性能,在作用界面会产生协同效应,在提高比电容的同时增加了电极的循环稳定性。因此VOx@MoPO4电极在储能器件领域有着潜在的应用前景。

Description

一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于能源材料领域,尤其涉及一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料及其制备方法和应用。
背景技术
超级电容器(电化学电容器)已经吸引了全世界的研究兴趣,它们作为一种新型储能器件在许多领域存在潜在的应用。超级电容器具有功率密度高,使用寿命长,无污染等优点,在国民经济的各个领域中有着广泛的应用前景,可用于电动汽车、通讯、消费、娱乐电子和信号监控等领域。过渡金属元素具有多个氧化态,可以利用这些氧化态之间的氧化还原反应进行能量储存。因此,过渡金属材料被广泛应用在赝电容电容器上。氧化钒具有多重氧化态、较高的比容量、资源丰富和价格低等优点,是超级电容器电极材料的研究热点。但五价的氧化钒在水系电解液中容易溶解,导致电极的比电容衰减,影响电极使用寿命。在氧化钒表面包覆一层薄薄的保护膜,形成氧化钒复合材料,既可以增加电极的比电容,也可以有效抑制氧化钒的溶解。磷酸钼材料具有较好的循环稳定性,通过灵活易控的电化学技术,将磷酸钼均匀的沉积到氧化钒电极表面,在电化学循环过程中可形成保护膜,抑制氧化钒的溶解。同时,两种材料之间的相互作用可赋予其更多独特的性能,提高复合材料的储能性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高比电容、高倍率性能、长循环寿命的纳米棒结构VOx@MoPO4电极材料。该材料在超级电容器领域有着很好的应用前景。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,其特征在于:制备方法如下:
(1)将碳布进行活化,然后通过电沉积方法在碳布的表面电沉积一层氧化钒;
(2)将沉积有氧化钒的碳布置于三电极体系,在其表面电沉积一层薄薄的MoPO4材料。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤1)中,碳布的活化具体为:在干净的碳布上滴一滴无水乙醇,然后用去离子水冲干净,增加了碳布的亲水性,工作电极为碳布,对电极为碳纸,参比电极为饱和甘汞电极,电解液为3M KNO3,采用恒电位法将电极活化,活化时间为2.5~3h;活化后的碳布,用去离子水冲干净,将电解液换为1M KCl溶液,采用循环伏安法恢复电极导电性。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤1)中:配置含有钒的溶液,以活化后的碳布为工作电极,碳纸为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,含有钒的溶液为电解液,采用循环伏安法在活化碳布上沉积氧化钒。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤1)中:配置含有钒的溶液,具体为将硫酸氧化钒,醋酸铵加入到去离子水中,搅拌均匀。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤1)中:按摩尔比,VOSO4:(NH4)2Ac为1:2。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤1)中:沉积氧化钒的沉积条件为:电压为-1.5~1.5V,扫速为50mV s-1,沉积圈数为300圈。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤2)中:配置MoPO4溶液,采用恒电流法沉积,在有氧化钒的碳布上沉积MoPO4材料,去离子水中浸泡后干燥。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤2)中:配置MoPO4溶液,具体为按摩尔比,(NH4)6Mo7O24.4H2O:PBS为12:1。
进一步地,上述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,步骤2)中:采用恒电流法,在沉有氧化钒的碳布上沉积一层薄薄的MoPO4,沉积条件:电流为-1.5mA,时间为 5~15min。
上述的一种具有纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料在超级电容器中的应用。
本发明的有益效果是:本发明得到一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料。在处理过的碳布表面电沉积一层氧化钒,此种结构增加了材料的比表面积,有利于电极和电解液的接触,最大化增加材料的利用率,在活化碳布上沉积300圈的氧化钒分布均匀,以纳米棒状的形式生长在碳布纤维上,拥有更大的比表面积和更多裸露的活性位点。但氧化钒容易溶解,循环稳定性较差,所以在其表面包上一层薄薄的保护膜--MoPO4,既可以增加比电容,也可以抑制氧化钒溶解,使电极具有高比电容的同时改善了循环稳定性,在超级电容器领域展现良好的应用前景。
附图说明
图1是实施例1步骤2制备的VOx@MoPO4-5min的高倍数(a)和低倍数(b)扫描电镜。
图2是实施例1步骤2中制备的VOx@MoPO4-5min在电流密度为10mA cm-1时的恒电流充放电曲线图。
图3是实施例2制备的VOx@MoPO4-15min的高倍数(a)和低倍数(b)扫描电镜。
图4是实施例2制备的VOx@MoPO4-15min在电流密度为10mA cm-1时的恒电流充放电曲线图。
具体实施方式
实施例1 一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料
(一)制备方法如下
1.活化碳布的制备
以碳布为工作电极,碳纸为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,以3M KNO3为电解液,采用恒电位法将电极活化,电位为1.8V,活化时间为3h。然后用去离子水冲掉碳布表面的溶液残留,采用三电极体系,以1M KCl为电解液,50mV s-1的扫速,扫描100圈,恢复碳布导电性。活化后的碳布,能增加表面含氧官能团的数量。
2.一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料的制备
将0.4075mg的硫酸氧化钒,0.3854mg的醋酸铵加入25ml的去离子水,搅拌均匀后,则成功配置了钒溶液,活化后的碳布为工作电极,碳纸为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,钒溶液为电解液,采用循环伏安法在活化碳布上沉积氧化钒,沉积条件:电压为-1.5~1.5V,扫速为50mV s-1,沉积圈数为300圈。配置MoPO4溶液,配置溶液的摩尔比, (NH4)6Mo7O24.4H2O:PBS为12:1。恒电流法沉积,电流为-1.5mA,时间为5min。
(二)实验结果
图1分别为实施例1中得到产品的高倍数(a)和低倍数(b)的扫描电镜图。由图可以看出,VOx@MoPO4复合材料均匀的分布在碳布上。
(三)一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料的应用
把沉有VOx@MoPO4的碳布作为工作电极,进行电化学性能测试,辅助电极为碳纸,参比电极为饱和甘汞电极,电解液为3M KCl。图2是VOx@MoPO4在电流密度为10mA cm-2时的恒电流充放电曲线图,从图可看出,在10mA cm-2的电流密度下,电极的面积比电容达到了2570.83mF cm-2
实施例2 MoPO4的沉积时间对电极比电容的影响
具体操作过程与实施例1相同,不同之处在于:
制备方法2中,沉积MoPO4的时间为15min。图3分别为实施例2中得到产品的高倍数(a)和低倍数(b)的扫描电镜图。由图可知,沉积MoPO4的时间增加后,复合材料的纳米棒长度有所增加,生长的更加均匀。
把沉有VOx@MoPO4的碳布作为超级电容器的工作电极,进行循环伏安和恒电流充放电测试,如图4所示。结果发现,在10mA cm-2的电流密度下,电极的面积比电容达到了3954.23 mF cm-2,较实施例1均有提高,展现了良好的电容性能。

Claims (3)

1.一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,其特征在于:制备方法如下:
(1)将碳布进行活化,然后通过电沉积方法在碳布的表面电沉积一层氧化钒;
(2)将沉积有氧化钒的碳布置于三电极体系,在其表面电沉积一层薄薄的MoPO4材料;
步骤(1)中:沉积氧化钒的沉积条件为:电压为-1.5~1.5V,扫速为50 mV s-1,沉积圈数为300圈;
步骤(1)中:配置含有钒的溶液,以活化后的碳布为工作电极,碳纸为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,含有钒的溶液为电解液,采用循环伏安法在活化碳布上沉积氧化钒;
步骤(1)中:配置含有钒的溶液,具体为将硫酸氧化钒,醋酸铵加入到去离子水中,搅拌均匀;
步骤(1)中:配置含有钒的溶液,具体为将硫酸氧化钒,醋酸铵加入到去离子水中,搅拌均匀;
步骤(2)中:采用恒电流法,在沉有氧化钒的碳布上沉积一层薄薄的MoPO4,沉积条件:电流为-1.5 mA,时间为5~15min;
步骤(2)中:配置MoPO4溶液,采用恒电流法沉积,在有氧化钒的碳布上沉积MoPO4材料,去离子水中浸泡后干燥;
步骤(2)中:配置MoPO4溶液,具体为按摩尔比,(NH4)6Mo7O24.4H2O:PBS为12:1。
2.根据权利要求1所述的一种纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料,其特征在于,步骤(1)中,碳布的活化具体为:在干净的碳布上滴一滴无水乙醇,然后用去离子水冲干净,增加了碳布的亲水性,工作电极为碳布,对电极为碳纸,参比电极为饱和甘汞电极,电解液为3MKNO3,采用恒电位法将电极活化,活化时间为2.5~3h;活化后的碳布,用去离子水冲干净,将电解液换为1M KCl溶液,采用循环伏安法恢复电极导电性。
3.权利要求1-2任一项所述的一种具有纳米棒结构的VOx@MoPO4电极材料在超级电容器中的应用。
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