一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料制备方法技术

本发明专利技术涉及电极材料技术，旨在提供一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料的制备方法。包括：对碳布进行预处理，去除表面的氧化层和有机基团，提升碳布的电导率。然后，通过溶剂热法在碳布表面生长含钛前驱体，在氩气气氛下热处理得到TiO2

【技术实现步骤摘要】
一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料制备方法


[0001]本专利技术属于材料科学
，涉及了一种用于超级电容器的纳米棒阵列结构二氧化钛
‑
碳/镍钴硒化物电极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]超级电容器因其具有快速充放电、高功率密度、长循环寿命等特性，在能量转换与存储方面展现出了巨大的应用潜力。柔性、便携、小型化是混合型能量存储设备发展的必然趋势，进一步促进了柔性电极材料与全固态电解液的同步发展。然而，如何在保持高功率密度的前提下，进一步提升器件的能量密度和循环稳定性是柔性混合超级电容器实现应用需要解决的首要问题。
[0003]根据电容器能量密度的计算公式：E＝CV2/2，提高电极材料的比电容量和拓宽器件的电压窗口，有助于提升超级电容器的能量密度。因此，制备高比电容的电极材料是获得高性能超级电容器的有效途径之一。过渡金属氢氧化物/氧化物/硫化物/磷化物等过渡金属化合物因其成分形貌可控、比表面积大和理论电容量高等优点能在一定程度上提高器件的能量密度，但其存在导电率较低、在充放电过程中易发生体积膨胀和离子扩散较慢等问题，导致电极的循环稳定性不高。硒(Se)和氧(O)、硫(S)在元素周期表中同属于第六主族，具有类似的化学特性。Se的电导率(1
×
10
‑
3S m
‑
1)远高于O(1
×
10
‑
5S m
‑
1)和S(5
×
10
‑
28S m
‑
1)，具有更突出的金属特性、更低的电负性和更高的电活性和更快的电化学响应速率。硒化物的高电导率特性使过渡金属硒化物成为了新的研究热点。
[0004]为了提升器件的能量密度和循环稳定性，亟需优化调控电极材料的组成、构筑合理的纳米结构，制备具有高比电容和长循环寿命的金属化合物基复合电极材料。一方面，可以通过复合材料各组分之间的协同作用，弥补单一过渡金属硒化物材料的性能缺陷。另一方面，可以利用核壳异质结构、纳米阵列结构、中空结构等特殊形貌，提升电极材料的电化学性能。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料制备方法，通过该方法可以在碳布基底上合成纳米棒阵列结构的TiO2
‑
C@(Ni,Co)Se2复合电极材料，可直接用于组装超级电容器。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009](1)取大小合适的碳布进行预处理，干燥后备用；
[0010](2)按照体积比1∶3混合甘油和乙醇，剧烈搅拌直至形成均一透明的溶液；向混合
醇溶液中加入一定量钛酸四丁酯，磁力搅拌20分钟；将所得溶液移入带有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，将步骤(1)中所得碳布浸没在溶液中，密封后在180℃保温12～36h。反应结束后，待反应釜冷却至室温，取出碳布，依次置于去离子水和无水乙醇中超声清洗数次，在60℃下真空干燥24h，得到表面生长了钛甘油盐纳米棒阵列基体的碳布(碳布表面变成白色)；
[0011](3)将步骤(2)中所得碳布置于管式炉中间，持续通入氩气，升温至475℃后保温2h；热处理结束后继续通入氩气直至降至室温，得到表面生长了二氧化钛
‑
碳纳米棒阵列基体的碳布(碳布表面变成黑色)；
[0012](4)按摩尔比1∶2∶4取合六水合硝酸镍、六水合硝酸钴和尿素，加入适量的水和乙醇，磁力搅拌直至形成均一的紫红色透明溶液；将混合溶液移至带有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，将步骤(3)所得碳布浸没在混合溶液中，密封反应釜后，在120℃保温3～9h；冷却至室温后，从反应釜中取出碳布，依次以去离子水和无水乙醇超声清洗数次；在60℃下真空干燥24h，得到表面生长了二氧化钛
‑
碳/镍钴前驱体纳米棒阵列的碳布(生成物在碳布表面呈紫色)；
[0013](5)取适量硒粉置于管式炉中间，将步骤(4)中的碳布放置在管式炉中硒粉的下风口，持续通入氩气；升温至450℃后保温2h，热处理结束后继续通入氩气直至降至室温，最终所得碳布即为表面生长了纳米棒阵列结构的TiO2
‑
C@(Ni,Co)Se2整体式电极材料(生成物在碳布表面呈黑色)。
[0014]优选的，在步骤(1)中，所述碳布的尺寸为1cm
×
2cm；所述预处理是指：将碳布依次置于3M稀盐酸、丙酮、去离子水和无水乙醇中超声清洗15分钟；所述干燥是指：在60℃真空干燥24h。
[0015]优选的，钛酸四丁酯和混合醇溶液的体积比为1∶20。
[0016]优选的，在步骤(3)中，升温过程中控制升温的速率为1℃/min，热处理后的冷却方式为随炉冷却。
[0017]优选的，在步骤(4)中，所述水和乙醇的体积比为14∶1。
[0018]优选的，在步骤(5)中，相对于尺寸为1cm
×
2cm的碳布，硒粉的用量为0.5g；升温过程中控制升温的速率为10℃/min，热处理后的冷却方式为随炉冷却。
[0019](三)有益效果
[0020]1、利用水热法在碳布表面直接制备的TiO2
‑
C@(Ni,Co)Se2纳米棒阵列，避免了涂布电极的限制，有利于电极材料在柔性器件中的应用；
[0021]2、在氩气氛围中热处理得到的二氧化钛
‑
碳纳米棒阵列具有大的比表面积，高堆积密度以及有利于荷电传输的有序网络结构，为镍钴硒化物提供了提高循环稳定性的自支撑骨架，利用碳材料提高了复合材料的导电性，同时还展现出较好的倍率性能；
[0022]3、通过水热反应二氧化钛
‑
碳纳米棒阵列表面生长镍钴硒化物，形成TiO2
‑
C@(Ni,Co)Se2纳米棒阵列结构，大大降低了电子转移阻抗，提高了活性物质的利用率，复合材料超大的比表面积进一步提高了电极的电容性能。并且先后生长的纳米棒阵列相互支撑，具有多孔结构，可以缓冲充放电过程中活性物质的体积变化，提高了结构的稳定性，从而大幅提升电极的循环稳定性；
[0023]4、本专利技术所制备的纳米棒阵列结构的TiO2
‑
C@(Ni,Co)Se2整体式电极材料可直接
用作超级电容器的电极。电极物质在碳布表面负载牢固，生长均匀，比表面积大，有效改善了电极与电解液的接触界面。作为电极使用时，在电流密度为2mA cm
‑
2时的面积比电容达到5.8F cm
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1，在电流密度提升至20mA cm
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2的情况下，仍保持89.6％的比电容；在电流密度为10mA cm
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2的条件下循环充放电1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高循环稳定性的镍钴硒化物基纳米阵列电极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取大小合适的碳布进行预处理，干燥后备用；(2)按照体积比1∶3混合甘油和乙醇，剧烈搅拌直至形成均一透明的溶液；向混合醇溶液中加入一定量钛酸四丁酯，磁力搅拌20分钟；将所得溶液移入带有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，将步骤(1)中所得碳布浸没在溶液中，密封后在180℃保温12～36h，反应结束后，待反应釜冷却至室温，取出碳布，依次置于去离子水和无水乙醇中超声清洗数次，在60℃下真空干燥24h，得到表面生长了钛甘油盐纳米棒阵列基体的碳布(碳布表面变成白色)；(3)将步骤(2)中所得碳布置于管式炉中间，持续通入氩气，升温至475℃后保温2h；热处理结束后继续通入氩气直至降至室温，得到表面生长了二氧化钛
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碳纳米棒阵列基体的碳布(碳布表面变成黑色)；(4)按摩尔比1∶2∶4取合六水合硝酸镍、六水合硝酸钴和尿素，加入适量的水和乙醇，磁力搅拌直至形成均一的紫红色透明溶液；将混合溶液移至带有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，将步骤(3)所得碳布浸没在混合溶液中，密封反应釜后，在120℃保温3～9h；冷却至室温后，从反应釜中取出碳布，依次以去离子水和无水乙醇超声清洗数次；在60℃下真空干燥24h，得到表面生长了二氧化钛
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碳/镍钴前驱体纳米棒阵列的碳布(生成物在碳布表面呈紫色)；(5)取适量硒粉置于管式炉中间，将步骤(4)中的碳布放...

【专利技术属性】
技术研发人员：王倩倩，韩苗苗，
申请(专利权)人：湖州师范学院，
类型：发明
国别省市：