CN114093679B - 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用 - Google Patents

一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114093679B
CN114093679B CN202111434238.1A CN202111434238A CN114093679B CN 114093679 B CN114093679 B CN 114093679B CN 202111434238 A CN202111434238 A CN 202111434238A CN 114093679 B CN114093679 B CN 114093679B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode material
beta
nickel
size
foam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111434238.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114093679A (zh
Inventor
唐一文
刘高福
郑诗妍
王铭圭
余燕青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central China Normal University
Original Assignee
Central China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central China Normal University filed Critical Central China Normal University
Priority to CN202111434238.1A priority Critical patent/CN114093679B/zh
Publication of CN114093679A publication Critical patent/CN114093679A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114093679B publication Critical patent/CN114093679B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Abstract

本发明公开了一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β‑Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用，该电极材料的制备方法为：1、配制磷酸溶液；2、将大尺寸泡沫镍浸没入磷酸溶液中，在室温下进行刻蚀，刻蚀完成后，取出泡沫镍后进行干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍；3、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍为浸泡在KOH溶液中，浸泡完成后，取出泡沫镍后进行干燥，获得大尺寸泡沫镍上原位生长的β‑Ni(OH)2纳米片阵列电极材料。该电极材料的制备方法简单，能耗低，且制备的β‑Ni(OH)2电极材料实现了在大尺寸的基础上具有优异的电化学性能，是具有大尺寸、高负载量、大容量和大尺寸比电容的电极材料，因此，该电极材料可用于制备大尺寸高容量的赝电容器电极，用于电化学储能。

Description

一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材 料及其应用
技术领域
本发明属于电化学储能器材料技术领域，具体涉及一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用。
背景技术
随着化石燃料的发现，虽然为我们的日常生活提供了便利，但由于化石燃料的使用，环境污染加剧，因此，开发清洁和可再生能源受到了广泛关注。为了更好地利用能源，开发一种高效储存和转换能源的装置具有重要意义，因此，高效储能成为当前研究的关键问题之一，其中超级电容器因其功率密度高、循环寿命长、环境友好、安全等优点而受到众多研究者的关注。然而，目前超级电容器由于质量负载量低、能量密度低和材料尺寸小难以扩展等缺点极大地限制了其实际应用，优化超级电容器电极材料的性能和大尺寸制备是解决这一问题的有效途径之一。
虽然低质量负载电极具有较高的质量比电容，但对于在泡沫镍上生长的三维阵列材料，低质量负载会限制面积比电容。此外，人们已经认识到，对于大型设备(如电动汽车)和空间有限的设备(如便携式和微型电子设备)，面积和体积性能指标与重量指标同样重要，大尺寸和高质量负载不仅可以提高电极材料的容量，而且可以实现大的体积比容量。尽管开发高质量负载电极已取得重大进展，但与实际应用水平相距甚远。因此，如何制备出具有大尺寸、高质量负载、高体积能量密度和环境友好的赝电容器电极材料一直是研究的热点。
过渡金属氧化合物及其衍生物因其低成本和优异内在活性而成为储能领域的热门研究对象。其中，Ni(OH)2电极材料具有理论电容高、可逆性好、环境友好等优点，是一种很有前途的储能材料。然而，低电导率抑制了Ni(OH)2的电化学活性，导致实际容量远低于理论容量。到目前为止，已经报道了许多利用纳米结构和复合材料等优化其电导率和电化学稳定性的改性方法，虽然已经做出了一些努力，但在大电流密度下的循环稳定性和倍率性能仍不令人满意。
另一种有效可行的方法是在良好导电基底上合成Ni(OH)2电极材料，泡沫镍(NF)具有高强度、良好的导电性和导热性的三维网络结构，因此，NF常被用作导电基底，以优化Ni(OH)2材料的导电性，在NF上合成的Ni(OH)2电极材料虽表现出较好的电化学活性和循环稳定性，但Ni(OH)2材料尺寸小难以扩展和低负载量的缺点，仍严重限制了其在实际中的应用。
发明内容
基于上述现有技术，本发明提供了一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用，该电极材料的制备方法简单，制备过程都在室温下进行，能耗低，且制备的β-Ni(OH)2电极材料实现了在大尺寸的基础上具有优异的电化学性能，是具有大尺寸、高负载量、大容量和大面积比电容的电极材料，因此，该电极材料可用于制备大尺寸高容量的赝电容器电极，用于电化学储能。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，由以下方法制备而成：
1、配制磷酸溶液；
2、将大尺寸泡沫镍浸没入磷酸溶液中，在室温下进行刻蚀，刻蚀完成后，取出泡沫镍后进行干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍；
3、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍为浸泡在KOH溶液中，浸泡完成后，取出泡沫镍后进行干燥，获得大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料。
进一步，所述的大尺寸泡沫镍的长度为50-200cm，宽度为20-50cm，厚度为0.15-0.2cm。
进一步，所述磷酸溶液的浓度为0.1-2.5M。
进一步，步骤2中，刻蚀时间为1-30h。
进一步，步骤2中，取出刻蚀后的泡沫镍在室温下自然干燥10h以上。
进一步，步骤3中，所述KOH的浓度为3-4M。
进一步，步骤3中，浸泡时间为1-30h。
进一步，步骤3中，取出浸泡后的泡沫镍在室温下自然干燥10h以上。
一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电化学储能中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1、本发明的电极材料的制备方法简单，只需两步反应，两步反应均在室温下进行，不需要加热，能耗低，原料来源广泛且价格低廉，因此，制备成本低，操作简单，适合大规模商业化生产，具有很好的应用前景。
2、本发明电极材料的β-Ni(OH)2纳米片阵列直接生长在泡沫镍基底上，省去了导电剂、粘结剂等复杂的制备工艺，并获得超高负载量的电极材料(11.34mg cm-2以上)，保证了高的能量密度。
3、本发明将β-Ni(OH)2纳米片生长在泡沫镍基底上，降低了β-Ni(OH)2纳米片的自团聚程度，提高了β-Ni(OH)2纳米片和电解液的接触面积，同时，低晶态的β-Ni(OH)2纳米片有利于电荷的快速传输。
4、电化学测试表明，本发明组装成的β-Ni(OH)2//AC超级电容器具有较好的电化学性能。
5、本发明的电极材料不仅尺寸大，而且具有大容量和大面积比电容，电化学测试表明，本发明制备的β-Ni(OH)2纳米片阵列材料在高电流密度下(30mA cm-2)的面积比电容达到13.72Fcm-2，远高于已报道的泡沫镍上生长的Ni(OH)2或NiO电容器材料，比如：Ni(OH)2面积比电容为7.85F cm-2(5mA cm-2；Chem.Commun.47(2011)9651-9653)；Ni(OH)2/NF面积比电容为3.51F cm-2(5mA cm-2；Appl.Surf.Sci.428(2018)250-257)；Ni(OH)2@Ni Foam面积比电容为0.86F cm-2(5mA cm-2；ChemElectroChem 4(2017)1-12)；Ni@Ni(OH)2面积比电容为6.4F cm-2(2.5mA cm-2；Appl.Surf.Sci.365(2016)125–130)；NF@NiO面积比电容为2.01Fcm-2(8mA cm-2；J.Mater.Chem.A 6(2018)19488-19494)；NF/NiO@Ni(OH)2面积比电容为2.51F cm-2(1mA cm-2；Electrochim.Acta 368(2021)137633)。因此，我们制备的β-Ni(OH)2纳米片阵列可作为大尺寸、高容量的储能材料使用，具有极高的发展和应用前景。
附图说明
图1为实施例1的大尺寸泡沫镍的图片。
图2为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的大尺寸泡沫镍的图片。
图3为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的图片。
图4为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍的低倍SEM图。
图5为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍的高倍SEM图。
图6为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍的TEM图。
图7为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍的HRTEM图。
图8为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍的元素分布能谱图。
图9为实施例1制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体和β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料拉曼图。
图10为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料低倍SEM图。
图11为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料高倍SEM图。
图12为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的TEM图。
图13为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的HRTEM图。
图14为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的元素分布能谱图。
图15为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的XRD图。
图16为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的循环伏安曲线图。
图17为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线图。
图18为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的倍率性能图。
图19为实施例1制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的循环稳定性能图。
图20为实施例2制备的泡沫镍上原位生长的Ni3(PO4)2前驱体的低倍SEM图。
图21为实施例2制备的泡沫镍上原位生长的Ni3(PO4)2前驱体的高倍SEM图。
图22为实施例2制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的循环伏安曲线图。
图23为实施例2制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线图。
图24为实施例2制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的倍率性能图。
图25为实施例3制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的低倍SEM图。
图26为实施例3制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的高倍SEM图。
图27为实施例3制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的循环伏安曲线图。
图28为实施例3制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线图。
图29为实施例3制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但以下实施例不用来限制本发明的范围。
实施例1
1、准备好大尺寸的泡沫镍(长100cm×宽30cm×厚0.16cm)备用，如图1所示，此时泡沫镍的质量约为33.4g；
2、将346g(206mL)质量分数为85％的H3PO4溶液滴加到2794mL去离子水中，磁力搅拌10分钟，配制成1MH3PO4溶液；
3、将泡沫镍卷曲后浸入1M H3PO4溶液中，在室温(约22℃)刻蚀15h，取出刻蚀后的泡沫镍在室温下自然干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍，如图2所示；
4、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍卷曲后直接放入4M KOH溶液中浸泡20h，取出浸泡后的泡沫镍在室温下自然干燥，获得大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，如图3所示，此时经过酸刻蚀、碱浸泡后，电极材料的负载量约为11.34mgcm-2。
将本实施制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍用扫描电子显微镜进行扫描，当放大10000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图4所示，当放大50000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图5所示，由图4和图5可以看出，泡沫镍表面被刻蚀出很多大小不均、形状不规则的Ni3(PO4)2。
将本实施制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍用透射电子显微镜和高分辨率的透射电镜分别进行扫描，所得的TEM图如图6所示，所得的HRTEM图如图7所示，从图6可以看出，Ni3(PO4)2显示出无序的相；图7中没有观察到明显的晶格条纹，说明Ni3(PO4)2为非晶态，非晶态Ni3(PO4)2具有更稳定的结构和更多的活性位点，在储能领域中具有更优的表现。
将本实施制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍进行元素分布能谱分析，所得的元素分布能谱如图8所示，从图8可以看到Ni3(PO4)2含有Ni、P、O三种元素，且元素分布均匀。
将本实施制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍进行拉曼表征，所得的拉曼光谱如图9所示，由图9可知，本实施例制得的Ni3(PO4)2前驱体的四个特征峰分别在231cm-1、403cm-1、926cm-1和987cm-1处，经4M KOH溶液中浸泡20h后Ni3(PO4)2的特征峰消失，在308cm-1、479cm-1和1091cm-1出现三个峰，表明经KOH溶液中浸泡后，非晶态Ni3(PO4)2已经成功转化为β-Ni(OH)2。
将本实施例制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料用扫描电子显微镜进行扫描，当放大20000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图10所示，当放大50000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图11所示，由图10和图11可以看出，β-Ni(OH)2纳米片均匀生长在泡沫镍上，保留了β-Ni(OH)2纳米片的微观形貌，呈现出非常薄的纳米片状，片与片之间有孔洞，有利于维持电极材料结构稳定以及电解液的渗透，保证了β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的电容性能和循环稳定性。
将本实施例制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料用透射电子显微镜和高分辨率的透射电镜分别进行扫描，所得的TEM图如图12所示，所得的HRTEM图如图13所示，从图12可以看出，β-Ni(OH)2是薄片形态；从图13可以看出，电极材料中含有一些小晶粒被一些无序的区域包围，且晶格间距为0.175nm和0.233nm分别对应于β-Ni(OH)2的(102)面和(101)面。
将本实施例制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料进行元素分布能谱分析，所得的元素分布能谱图14所示，从图14中可以看到β-Ni(OH)2纳米片含有Ni、P、O三种元素，但P元素含量非常少。
将本实施例制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍和大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料分别进行XRD分析，所得的XRD如图15所示，由图15可知，本实施例制得的Ni3(PO4)2前驱体除NF的衍射峰外，XRD谱图中没有其他明显的衍射峰，说明H3PO4刻蚀后生成的Ni3(PO4)2产物为为非晶态；而β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料XRD谱图在19.3、33.1、38.5和52.1处出现4个峰，与(001)、(100)、(101)和(102)平面相吻合，表明在KOH溶液浸泡过程中，Ni3(PO4)2的非晶相成功转变为低晶态的β-Ni(OH)2，结合图9，表明本发明在泡沫镍(Ni，JCPDS No.04-0850)上成功制备出了β-Ni(OH)2(JCPDSNo.14-0117)纳米片阵列电极材料。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在1-20mVs-1的扫描速率范围下进行循环伏安测试，所得的循环伏安曲线如图16所示，由图16可知，在不同的扫描速度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的CV曲线没有明显的变形，表明β-Ni(OH)2具有良好的可逆性，且β-Ni(OH)2纳米片的CV曲线有一对明显的氧化还原峰，表明本发明的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料具有典型的赝电容效应。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在不同电流密度下进行恒电流充放电测试，电流密度为30-80mA cm-2，所得的恒电流充放电曲线如图17所示，由图17可知，在不同电流密度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线均能观察到明显的法拉第充放电平台，这与CV曲线的氧化还原峰相对应，表明所制得的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在充放电过程中，具有稳定的可逆过程。在30mAcm-2的电流密度下进行计算面积比电容C(C＝∫Idt/sΔV，其中I是电流，dt是放电时间，s是电极材料面积，ΔV是放电电压窗口)可得，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料展现出高达13.72F cm-2的面积比电容，远高于很多已报道的赝电容材料，具有成为商业材料的潜力。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电压窗口为0-0.6V下进行不同电流密度下比电容的测试，所得的倍率性能图如图18所示，从图18中可以看出，在80mAcm-2的大电流下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料依然具有5.51F cm-2的面积比电容，在电流密度增加过程中，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的比容量衰减不大，由此表明，所制得的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料具有良好的倍率性能。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电压窗口为0-0.6V、电流密度为120mA cm-2下进行循环稳定性测试(10000圈)，所得的循环稳定性能图如图19所示，由图19可知，在长达10000次循环后，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的电容量保留了初始电容量的81.5％，由此表明，所制得的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料具有优异的循环稳定性。
实施例2
1、准备好大尺寸的泡沫镍(长100cm×宽30cm×厚0.16cm)备用，此时泡沫镍的质量约为33.4g；
2、将34.5g(20.7mL)质量分数为85％的H3PO4溶液滴加到2979.3mL去离子水中，磁力搅拌10分钟，配制成0.1M H3PO4溶液；
3、将泡沫镍卷曲后浸入0.1M H3PO4溶液中，在室温(约22中，刻蚀15h，取出刻蚀后的泡沫镍在室温下自然干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍；
4、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍卷曲后直接放入4M KOH溶液浸泡20h，取出浸泡后的泡沫镍在室温下自然干燥，获得泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，此时经过酸刻蚀、碱浸泡后，电极材料的负载量约为2.6mg cm-2。
将本实施制备的表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍用扫描电子显微镜进行扫描，当放大1000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图20所示，当放大50000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图21所示，由图20和图21可以看出，与图4和图5相比，泡沫镍表面被刻蚀的深度明显减少，且较光滑，由此表明，当H3PO4溶液的浓度减少时，Ni3(PO4)2前驱体的负载量减少。
将本实施例制备的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在1-20mVs-1的扫描速率下进行循环伏安测试，所得的循环伏安曲线如图22所示，由图22可知，在不同的扫描速度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的CV曲线没有明显的变形，表明β-Ni(OH)2具有良好的可逆性，且β-Ni(OH)2纳米片的CV曲线有一对明显的氧化还原峰，但CV曲线所包围的面积，明显小于图16的面积。
将本实施例的制备大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在不同电流密度下进行恒电流充放电测试，电流密度为30-80mA cm-2，所得的恒电流充放电曲线如图23所示，由图23可知，在不同电流密度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线均能观察到明显的法拉第充放电平台，这与CV曲线的氧化还原峰相对应，表明所制得的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在充放电过程中，具有稳定的可逆过程。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电压窗口为0-0.6V下进行不同电流密度下比电容的测试，所得的倍率性能图如图24所示，从图24中可以看出，在30mAcm-2的电流密度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料展现出4.8F cm-2的面积比电容，远低于图18所示的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料展现出13.72Fcm-2的面积比电容。
由此可见，通过控制H3PO4溶液的溶度，可以调控在泡沫镍上原位生长Ni3(PO4)2前驱体的负载量，从而调控β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的负载量，实现电极材料电化学性能的最优化。
实施例3
1、准备好大尺寸的泡沫镍(长100cm×宽30cm×厚0.16cm)备用，此时泡沫镍的质量约为33.4g备用；
2、将346g(206mL)质量分数为85％的H3PO4溶液滴加到2794mL去离子水中，磁力搅拌10分钟，配制成1M H3PO4溶液；
3、将泡沫镍卷曲后浸入1M H3PO4溶液中，在室温(约22℃)刻蚀15h，取出刻蚀后的泡沫镍在室温下自然干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍；
4、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍卷曲后直接放入4M KOH溶液中浸泡5h，取出浸泡后的泡沫镍在室温下自然干燥，获得大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，此时经过酸刻蚀、碱浸泡后，电极材料的负载量约为9.7mgcm-2。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料用扫描电子显微镜进行扫描，当放大5000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图25所示，当放大50000倍时，所得的扫描电子显微镜图如图26所示，由图25和图26可知，β-Ni(OH)2纳米片均匀生长在泡沫镍上，保留了β-Ni(OH)2纳米片的形貌，片与片之间有孔洞，但与图10和图11相比可以看出，β-Ni(OH)2纳米片呈现出较大的纳米片状，厚度和分布都不均匀，由此表明，在KOH中浸泡的时间不同，β-Ni(OH)2纳米片的厚度、大小和分布都会不同。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在1-20mVs-1的扫描速率下进行循环伏安测试，所得的循环伏安曲线如图27所示，由图27可知，在不同的扫描速度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的CV曲线没有明显的变形，表明β-Ni(OH)2具有良好的可逆性，且β-Ni(OH)2纳米片的CV曲线有一对明显的氧化还原峰，但CV曲线所包围的面积，明显小于图16的面积。
将本实施例在泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在不同电流密度下进行恒电流充放电测试，电流密度为30-80mA cm-2，所得的恒电流充放电曲线如图28所示，由图28可知，在不同电流密度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的恒电流充放电曲线均能观察到明显的法拉第充放电平台，这与CV曲线的氧化还原峰相对应，表明所制得的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在充放电过程中，具有稳定的可逆过程。
将本实施例制备的泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电压窗口为0-0.6V下进行不同电流密度下比电容的测试，所得的倍率性能图如图29所示，从图29中可以看出，在30mAcm-2的电流密度下，β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料展现出11.7F cm-2的面积比电容，低于图19所示的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料展现出13.72Fcm-2的面积比电容。
由此可见，通过控制在KOH溶液中浸泡的时间，来调控β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的厚度、大小、分布及负载量，实现电极材料电化学性能的最优化。

Claims (4)

1.一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，其特征在于由以下方法制备而成：
1.1、配制磷酸溶液；
1.2、将大尺寸泡沫镍浸没入浓度为0.1-2.5 M的磷酸溶液中，在室温下进行刻蚀1-30h，刻蚀完成后，取出泡沫镍后进行干燥，得到表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍；
1.3、在室温下，将表面生成Ni3(PO4)2前驱体的泡沫镍直接浸泡在浓度为3-4 M的KOH溶液中，浸泡1-30h后，取出泡沫镍后进行自然干燥，获得大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，所述的大尺寸泡沫镍的长度为50-200cm，宽度为20-50cm，厚度为0.15-0.2cm；
所述β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料的负载量为11 .34mg·cm -2以上；
所述β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在高电流密度下的面积比电容达到13 .72F·cm-2。
2.根据权利要求1所述的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，其特征在于：步骤1.2中，取出刻蚀后的泡沫镍在室温下自然干燥10h以上。
3.根据权利要求1所述的大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料，其特征在于：步骤1.3中，取出浸泡后的泡沫镍在室温下自然干燥10h以上。
4.一种权利要求1所述大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料在电化学储能中的应用。
CN202111434238.1A 2021-11-29 2021-11-29 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用 Active CN114093679B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111434238.1A CN114093679B (zh) 2021-11-29 2021-11-29 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111434238.1A CN114093679B (zh) 2021-11-29 2021-11-29 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114093679A CN114093679A (zh) 2022-02-25
CN114093679B true CN114093679B (zh) 2023-09-22

Family

ID=80305599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111434238.1A Active CN114093679B (zh) 2021-11-29 2021-11-29 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114093679B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116445971B (zh) * 2023-04-28 2023-11-07 洛阳理工学院 一种泡沫镍上自衍生含有活性镍和氢氧化镍纳米棒的制备方法和应用

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101676441A (zh) * 2008-09-16 2010-03-24 中国科学院福建物质结构研究所 一种单层β相氢氧化镍二维纳米单晶片及其合成方法
CN103762090A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 重庆大学 一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法
CN105374579A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 渤海大学 一种锰酸钴多孔微米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法
CN105575671A (zh) * 2016-03-03 2016-05-11 哈尔滨工程大学 一种含有多孔氢氧化镍的超级电容器电极材料的制备方法
CN107492452A (zh) * 2017-08-02 2017-12-19 河南师范大学 阵列状多级结构硫化钴镍/泡沫镍超级电容器电极的制备方法
CN109148161A (zh) * 2018-08-27 2019-01-04 安徽大学 核壳异质结构自支撑电极材料、制备方法及其应用
CN109686580A (zh) * 2019-01-07 2019-04-26 湖北文理学院 一种3D结构超薄Ni(OH)2纳米片/纳米Ni@rGO复合电极材料制备方法及应用
CN110773173A (zh) * 2019-11-28 2020-02-11 郑州大学 一种双功能催化剂β-Ni(OH)2/NF及其制备方法和用途
CN111663152A (zh) * 2020-06-17 2020-09-15 哈尔滨工业大学 一种泡沫镍负载无定型磷掺杂钼酸镍双功能电催化电极的制备方法及应用
CN112080756A (zh) * 2019-06-14 2020-12-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种析氢电极及其制备和应用
CN113113598A (zh) * 2020-12-10 2021-07-13 三峡大学 水系锌基镍钴电池正极材料及其制备方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101676441A (zh) * 2008-09-16 2010-03-24 中国科学院福建物质结构研究所 一种单层β相氢氧化镍二维纳米单晶片及其合成方法
CN103762090A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 重庆大学 一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法
CN105374579A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 渤海大学 一种锰酸钴多孔微米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法
CN105575671A (zh) * 2016-03-03 2016-05-11 哈尔滨工程大学 一种含有多孔氢氧化镍的超级电容器电极材料的制备方法
CN107492452A (zh) * 2017-08-02 2017-12-19 河南师范大学 阵列状多级结构硫化钴镍/泡沫镍超级电容器电极的制备方法
CN109148161A (zh) * 2018-08-27 2019-01-04 安徽大学 核壳异质结构自支撑电极材料、制备方法及其应用
CN109686580A (zh) * 2019-01-07 2019-04-26 湖北文理学院 一种3D结构超薄Ni(OH)2纳米片/纳米Ni@rGO复合电极材料制备方法及应用
CN112080756A (zh) * 2019-06-14 2020-12-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种析氢电极及其制备和应用
CN110773173A (zh) * 2019-11-28 2020-02-11 郑州大学 一种双功能催化剂β-Ni(OH)2/NF及其制备方法和用途
CN111663152A (zh) * 2020-06-17 2020-09-15 哈尔滨工业大学 一种泡沫镍负载无定型磷掺杂钼酸镍双功能电催化电极的制备方法及应用
CN113113598A (zh) * 2020-12-10 2021-07-13 三峡大学 水系锌基镍钴电池正极材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Low-crystalline β-Ni(OH)2 nanosheets on nickel foam with enhanced areal capacitance for supercapacitor applications》;Gaofu Liu;《Chemical EngineeringJournal》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114093679A (zh) 2022-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Du et al. Three-dimensional carbonaceous for potassium ion batteries anode to boost rate and cycle life performance
CN108550805B (zh) 一种三氧化钼@二硫化钼核壳异质结构的纳米复合材料、制备方法及其应用
CN103426648B (zh) 一种MOS2/TiO2纳米复合材料及其制备方法
CN112233912B (zh) 一种泡沫镍载MnCo2O4.5/MXene复合纳米材料的制备方法及应用
CN101969113A (zh) 石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的制备方法
CN111689523B (zh) 金属铬掺杂δ-MnO2纳米片的制备方法
CN110697782A (zh) 一种Co3S4@MoS2核壳结构纳米片阵列材料的制备方法及其应用
CN108492996A (zh) 一种氟、氮共掺杂的类石墨烯片层材料的制备方法
Liu et al. Engineering of yolk-shelled FeSe2@ nitrogen-doped carbon as advanced cathode for potassium-ion batteries
CN114093679B (zh) 一种大尺寸泡沫镍上原位生长的β-Ni(OH)2纳米片阵列电极材料及其应用
CN109148161A (zh) 核壳异质结构自支撑电极材料、制备方法及其应用
CN110223850B (zh) 一种高性能氢氧化镍电极材料的快速原位制备方法
Du et al. Template agent for assisting in the synthesis of ZnCo 2 O 4 on Ni foam for high-performance supercapacitors
CN111091981A (zh) 一种泡沫镍基底负载钴酸铜纳米线阵列材料及其制备方法
CN111268745A (zh) 一种NiMoO4@Co3O4核壳纳米复合材料、制备方法和应用
Luo et al. Graphene-controlled FeSe nanoparticles embedded in carbon nanofibers for high-performance potassium-ion batteries
CN112435865B (zh) 一种用于超级电容器的双壳空心柱状氢氧化镍电极材料及其制备方法和应用
CN110739159B (zh) 一种超级电容器用纳米线状二氧化锰/石墨烯气凝胶复合材料的制备方法
CN109081377B (zh) 一种三维二硫化钼花球阵列及其制备方法和应用
Yang et al. Nitrogen-doped carbon nanotubes by multistep pyrolysis process as a promising anode material for lithium ion hybrid capacitors
CN114783786B (zh) 一种用于超级电容器的双金属硒化物-多孔碳复合材料及其制备方法与应用
CN115872387A (zh) 自模板制备氮硫共掺杂碳材料的方法及其储锂/钠应用
CN109713263A (zh) 一种锂离子电池正极材料层状δ-MnO2/rGO的制备方法
CN110808174B (zh) 一种超级电容器用Ni3Se4纳米线的制备方法
CN114360918A (zh) 一种高性能超级电容器异质结构的电极材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant