可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管及其制备方法技术

一种可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管，管中的金属氧化物成分主要为α-Fe2O3、Co3O4、NiO中的一种或多种的复配，其制备方法包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇，充分搅拌使其完全溶解；将铁盐、钴盐、镍盐中的至少一种加入到溶解后的PVP溶液中，随后调节粘度，充分搅拌后得到纺丝液；将纺丝液通过静电纺丝机在高压下拉伸成丝，再置于烘箱中干燥，经过烧结，得到金属氧化物微纳米管。本发明专利技术的产品具有孔隙率高、充放电速度快、循环寿命长、电子传输能力强等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机微纳米材料及电极材料制备
，尤其涉及一种金属氧化物微纳米管及其制备方法。
技术介绍
随着全球环境污染的加剧以及化石燃料的过度消耗，利用电化学进行能量存储成为一种有效的解决方案。超级电容器因具有高效存储、高循环寿命、安全等优点而备受关注，过渡金属氧化物作为超级电容器电极材料是利用氧化还原反应获得的准电容来存储能量，其理论比容量高，充放电性能稳定，循环寿命好，因而在电极材料应用方面备受关注。研究表明，微纳米一维材料因其特殊的限域性、高比表面积和高效的电子传导效率而使之更具优势。金属氧化物一维电极材料的常用制备方法有水热法、溶剂热法、原位生长法等，而复合一维材料常采用简单包覆的方法。Debasish Sarkar等人采用溶剂热法制备的α-Fe2O3纳米棒宽约12nm，最大比容量高达145F·g-1，循环1600次后容量只下降约4％[ACS.Appl.Mater.Inter.2013,5,11995-12004]；Girish S.Gund等人制备了NiO/MWCNTs的复合材料，利用了多壁纳米碳管的优异表面特性，经测试比容量高达1727F·g-1，循环2000次后可以达到原容量的91％[ACS.Appl.Mater.Inter.2014,6,3176-3188]；Xiang Chengcheng等人使用原位生长法制备出了还原GO-Co3O4，使用2M的KOH水溶液作为电解质，测得最高比容量为472F·g-1，功率密度为8.3kW·kg-1时能量密度高达39.0Wh·kg-1[J.Power Source.2013,226,65-70]。然而，水热法和溶剂热法存在着重复性不高的缺点，原位生长法则存在着步骤繁杂的问题；简单包覆法制备的复合一维材料成分比例难以控制、且包覆不均。另外，以上方法所制得的一维材料比表面较小，孔隙结构少，不利于电荷的储存和转移。因此，采用简单的方法，通过控制制备工艺参数、条件和材料组成来获得一种高效可靠的一维电极材料就显得十分必要了。多孔材料有较高的比表面积和孔通道，利于电荷的附着和转移，有效的提高了电极材料的充放电效率和比容量，是近年来电极材料制备的热点。尤其是具有多孔通道的一维微纳米纤维或微纳管，能够快速实现电子迁移，在超级电容器的应用方面有着极大的前景。另一方面，不同组分的电极材料对电池或电容器的充放电效率有很大影响，由多种组分复合而成的微纳米纤维不仅能够提高电极材料的比容量，还能有效提高其充放电速率和循环寿命。因此，如何制备一维多孔微纳米复合纤维电极材料具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的金属氧化物电极材料在电池或电容器充放电过程中导电性差、充放电速度慢、电容衰减较快且循环寿命低等缺陷，提供一种孔隙率高、充放电速度快、循环寿命长、电子传输能力强的可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管，同时还提供一种生产成本低、操作简单、易于工业化生产的金属氧化物微纳米管的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管，所述金属氧化物微纳米管中的金属氧化物成分主要为α-Fe2O3、Co3O4、NiO中的一种或多种的复配。上述的金属氧化物微纳米管，优选的：所述金属氧化物微纳米管的直径在100nm～2μm，长度在10μm～15cm，所述金属氧化物微纳米管的中空部分与金属氧化物微纳米管的直径的比值为0.3～0.7∶1。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的金属氧化物微纳米管的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入无水乙醇，充分搅拌使其完全溶解得PVP溶液；(2)将铁盐、钴盐、镍盐中的至少一种按化学计量比加入到上述的PVP溶液中，随后调节该PVP溶液的粘度，充分搅拌后得到纺丝液；(3)将上述配制的纺丝液通过静电纺丝机在高压下拉伸成丝，得到前驱体纤维；(4)将上述制得的前驱体纤维置于烘箱中干燥，再经过烧结，得到金属氧化物微纳米管。上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为10000～630000，通过在室温下充分搅拌6～10小时使该聚乙烯吡咯烷酮完全溶解于无水乙醇中。上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，得到的PVP溶液的质量浓度为10％～20％。上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，铁盐是指的铁的硝酸盐和/或乙酸盐，钴盐是指的钴的硝酸盐和/或乙酸盐，镍盐是指的镍的硝酸盐和/或乙酸盐；所述铁盐、钴盐、镍盐的添加量总和与所述PVP溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量比控制为1∶0.5～2。上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所添加的去离子水与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.5∶1～2.5∶1；通过在室温下充分搅拌10～20小时得到所述的纺丝液。上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，静电纺丝机的工作参数包括：进料速度控制为0.3～0.6mL/h，喷头与收集器的距离为10～18cm，两者间电压为10～20kV。上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，干燥时的温度控制为70℃～110℃，干燥时间控制在24～48小时。上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，烧结时的升温速率为1～10℃/min，烧结时的温度控制为400℃～550℃，烧结时间为2～4小时。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.通过采用本专利技术的静电纺丝工艺可制备得到直径在微纳米级、长度达几十至几百微米的金属氧化物微纳米管，工艺步骤简单，原料来源广泛，成本低且重复性好。2.采用本专利技术制得的金属氧化物微纳米管与相应的块状或颗粒状复合材料相比，不仅孔隙率高、孔径大、比表面积大，且导电性好、活性好、电子传输能力更强、循环寿命长。3.采用本专利技术制得的金属氧化物微纳米管电极具有高的比容量和良好的循环充放电性能，在高的充放电速率下仍能保持高的比容量和充放电稳定性，循环500次后其容量衰减不到5％。在超级电容器和锂电池方面有很好的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1中得到的NiO纳米管的扫描电镜图。图2为本专利技术实施例1中得到的NiO纳米管的循环伏安特性曲线。图3为本专利技术实施例2中得到的α-Fe2O3/Co3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管，其特征在于：所述金属氧化物微纳米管中的金属氧化物成分主要为α‑Fe2O3、Co3O4、NiO中的一种或多种的复配。

【技术特征摘要】
1.一种可用于超级电容器电极材料的金属氧化物微纳米管，其特征在于：所述金属氧化
物微纳米管中的金属氧化物成分主要为α-Fe2O3、Co3O4、NiO中的一种或多种的复配。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物微纳米管，其特征在于：所述金属氧化物微纳米管
的直径在100nm～2μm，长度在10μm～15cm，所述金属氧化物微纳米管的中空部分与金属氧
化物微纳米管的直径的比值为0.3～0.7∶1。
3.一种如权利要求1或2所述的金属氧化物微纳米管的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇，充分搅拌使其完全溶解得PVP溶液；
(2)将铁盐、钴盐、镍盐中的至少一种按化学计量比加入到上述的PVP溶液中，随后
调节该PVP溶液的粘度，充分搅拌后得到纺丝液；
(3)将上述配制的纺丝液通过静电纺丝机在高压下拉伸成丝，得到前驱体纤维；
(4)将上述制得的前驱体纤维置于烘箱中干燥，再经过烧结，得到金属氧化物微纳米管。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮
的平均分子量为10000～630000，通过在室温下充分搅拌6～10小时使该聚乙烯吡咯烷酮完
全溶解于无水乙醇中。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈湘黔，王秋菊，邹联立，姚山山，习小明，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43