一种超级电容器电极材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种超级电容器电极材料的制备方法，包括：将硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于去离子水中得到第一溶液；在持续搅拌的条件下向第一溶液中加入GO水溶液得到第二溶液；在持续搅拌的条件下向第二溶液中加入氨水溶液得到第三溶液；将第三溶液依次进行离心、洗涤、干燥后得到前驱体Ni(OH)2/GO；将Ni(OH)2/GO和葡萄糖溶解于去离子水中得到第四溶液；将混合均匀的第四溶液依次进行干燥、加热、煅烧、冷却后得到超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C。本发明所制备的超级电容器电极材料NiO/rGO@C中NiO纳米颗粒均匀分布，GO为NiO纳米颗粒的制备提供活性位点，减少了NiO的团聚，葡萄糖碳化和rGO协同提高电极材料的导电性，因此NiO/rGO@C电极材料比电容得到了有效的提高。

权利要求

1.一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：将硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于去离子水中得到第一溶液；在持续搅拌的条件下向第一溶液中加入GO水溶液得到第二溶液；所述第二溶液中NiSO4·6H2O为5-50mmol；去离子水为10-

100mL；GO水溶液为10-100mL，浓度为1-10mg/mL；

在持续搅拌的条件下向第二溶液中加入氨水溶液得到第三溶液；所述第三溶液中氨水溶液为0.5-50mL，浓度为24-30％；第二溶液为5-500mL；

将第三溶液依次进行离心、洗涤、干燥后得到前驱体Ni(OH)2/GO；

将Ni(OH)2/GO和葡萄糖溶解于去离子水中得到第四溶液；所述第四溶液中葡萄糖与Ni(OH)2/GO质量比为1:10-2:1；将混合均匀的第四溶液依次进行加热、煅烧、冷却后得到超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：将所述第二溶液在室温条件下持续搅拌5-120min；

将所述第三溶液在室温条件下持续搅拌0.5-24h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在持续搅拌的条件下向第一溶液中加入GO水溶液得到第二溶液，以及在持续搅拌的条件下向第二溶液中加入氨水溶液得到第三溶液中的持续搅拌在磁力搅拌器上进行，搅拌速度为300-1000r/min。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二溶液在室温条件下持续搅拌，以及第三溶液在室温条件下持续搅拌中的持续搅拌在磁力搅拌器上进行，搅拌速度为300-

1000r/min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨水溶液的加入方式为滴加，所述滴加速度为0.1-50mL/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三溶液依次进行离心、洗涤、干燥后得到前驱体Ni(OH)2/GO的步骤，其中，所述离心的转速为3000-8000r/min；

所述洗涤为用去离子水和乙醇多次洗涤；

所述干燥在鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行，干燥温度为40-80℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合均匀的第四溶液依次进行加热、煅烧、冷却后得到超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C的步骤，其中，所述加热为在温度为150-200℃的聚四氟乙烯水热釜中或管式炉中加热6-24h；

所述煅烧为在温度为250-300℃的管式炉中煅烧3-12h，所述管式炉的升温速率为0.1-

10℃/min。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加热和煅烧的环境为惰性气氛，所述惰性气氛选自氮气或氩气。

说明书

一种超级电容器电极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电容器电极材料的制备领域，尤其涉及一种超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

[0002] 随着经济的快速发展，全球对能源的需要愈加增长，不可再生能源的日益消耗使得研究一种经济、高效、高性能的储能系统显得尤为重要。超级电容器因其高能量密度、充电时间短、使用寿命长而受到人们的广泛关注。基于能量储存机理，超级电容器可分为两种—电化学双电层电容器和法拉第赝电容器。相对于前者，法拉第赝电容器具有更高的比电容和能量密度，更适用于实际应用和商业化。在法拉第赝电容器电极材料中，过渡金属氧化物，尤其是NiO具有优异的氧化还原和电荷存储特性(0.5V电压下理论比电容2584F/g)，而且地球储量大、低成本而被科研工作者们广泛研究。但是，法拉第赝电容器充放电过程一般发生在电极材料的表面或近表面，使得电极体相材料存在电化学活性位点利用率低的问题，NiO也不例外。另外，NiO还存在导电性差的问题。因此在多数研究中，NiO往往表达不出高的比电容。

[0003] 目前，有一些方法来解决这些问题。一个是构筑不同形貌的纳米尺寸的NiO，如NiO纳米片(S.Wu,et.al,J.Mater.Chem.A,2016,4,9113)，NiO纳米颗粒(J.Lin,et.al,Adv.Sci.,2018,5,1700687)，NiO纳米线(V.Kannan,et.al,ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,17220)等，以增大NiO的比表面积，暴露更多的电化学活性位点。另外一种是与一定量的导电碳，如还原氧化石墨烯(rGO)(F.Luan,et.al,Nanoscale,2013,5,7984)、空心碳球(S.Y.Kim,et.al,Energy Environm.Sci.,2015,8,188)，碳纳米管(Y.Bai,et.al,J.Mater.Chem.A,2014,2,3834)等混合提高其导电性。在这些导电性碳中，rGO因其优异的表面物理化学性质和有效提高复合电极的比电容被认为是最优的导电添加剂。然而，在实际研究中，rGO的前驱体氧化石墨烯(GO)的还原过程需要精确控制，以减少GO的堆叠或增加NiO的rGO均匀包覆，实现复合电极导电性的增加。因此，发展一种简单易行、经济、有效的提高NiO/rGO导电性及其比电容的方法尤为重要。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种导电性提高、比电容也有效提高的简单、经济的超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C制备方法。

[0005] 为达到上述目的，一种超级电容器电极材料的制备方法，包括步骤：

[0006] 将硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于去离子水中得到第一溶液；在持续搅拌的条件下向第一溶液中加入GO水溶液得到第二溶液；将第二溶液在室温条件下持续搅拌5-120min。

[0007] 在持续搅拌的条件下向第二溶液中加入氨水溶液得到第三溶液；将第三溶液在室温条件下持续搅拌0.5-24h。

[0008] 将第三溶液依次进行离心、洗涤、干燥后得到前驱体Ni(OH)2/GO，其中，离心的转速为3000-8000r/min；洗涤为用去离子水和乙醇多次洗涤；干燥在鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行，干燥温度为40-80℃。

[0009] 将Ni(OH)2/GO和葡萄糖溶解于去离子水中得到第四溶液；将混合均匀的第四溶液依次进行干燥、加热、煅烧、冷却后得到超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C，其中，干燥在鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行，干燥温度为40-80℃；加热为在温度为150-200℃的聚四氟乙烯水热釜中或管式炉中加热6-24h；煅烧为在温度为250-300℃的管式炉中煅烧3-12h，管式炉的升温速率为0.1-10℃/min。

[0010] 优选地，持续搅拌在磁力搅拌器上进行，搅拌速度为300-1000r/min。

[0011] 优选地，第二溶液中NiSO4·6H2O为5-50mmol；去离子水为10-100mL；GO水溶液为10-100mL，浓度为1-10mg/mL。

[0012] 优选地，第三溶液中氨水溶液为0.5-50mL；第二溶液为5-500mL，浓度为24-30％。

[0013] 优选地，第四溶液中葡萄糖与Ni(OH)2/GO质量比为1:10-2:1。

[0014] 优选地，氨水溶液的加入方式为滴加，滴加速度为0.1-50mL/min。

[0015] 优选地，加热和煅烧的环境为惰性气氛，惰性气氛选自氮气或氩气。

[0016] 本发明的优点在于：所制备的超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C中NiO纳米颗粒均匀分布，GO为NiO纳米颗粒的制备提供活性位点，减少了NiO的团聚，葡萄糖碳化和rGO协同提高电极材料的导电性，因此NiO/rGO@C电极材料比电容得到了有效的提高；同时电极材料中NiO以～5nm左右的纳米颗粒形式均匀分布。

附图说明

[0017] 为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

[0018] 图1为一种超级电容器电极材料的制备方法流程图；

[0019] 图2为本发明实施例一中制备的碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料的TEM图；

[0020] 图3为本发明实施例一中制备的碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料的高分辨TEM图；

[0021] 图4为本发明实施例一中制备的碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料不同电流密度下的比电容图。

具体实施方式

[0022] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 图1为一种超级电容器电极材料的制备方法流程图。如图1所示，一种超级电容器电极材料的制备方法，包括步骤：

[0024] 步骤S101，将硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于去离子水中得到第一溶液；在持续搅拌的条件下向第一溶液中加入GO水溶液得到第二溶液。

[0025] 具体地，将第二溶液在室温条件下持续搅拌5-120min。

[0026] 步骤S102，在持续搅拌的条件下向第二溶液中加入氨水溶液得到第三溶液。

[0027] 具体地，将第三溶液在室温条件下持续搅拌0.5-24h。

[0028] 步骤S103将第三溶液依次进行离心、洗涤、干燥后得到前驱体Ni(OH)2/GO。

[0029] 具体地，离心的转速为3000-8000r/min；洗涤为用去离子水和乙醇多次洗涤；干燥在鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行，干燥温度为40-80℃。

[0030] 步骤S104，将Ni(OH)2/GO和葡萄糖溶解于去离子水中得到第四溶液；将混合均匀的第四溶液依次进行干燥、加热、煅烧、冷却后得到超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C。

[0031] 具体地，干燥在鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行，干燥温度为40-80℃；加热为在温度为150-200℃的聚四氟乙烯水热釜中或管式炉中加热6-24h；煅烧为在温度为250-300℃的管式炉中煅烧3-12h，管式炉的升温速率为0.1-10℃/min。

[0032] 优选地，持续搅拌在磁力搅拌器上进行，搅拌速度为300-1000r/min。

[0033] 优选地，第二溶液中NiSO4·6H2O为5-50mmol；去离子水为10-100mL；GO水溶液为10-100mL，浓度为1-10mg/mL。

[0034] 优选地，第三溶液中氨水溶液为0.5-50mL；第二溶液为5-500mL，浓度为24-30％。

[0035] 优选地，第四溶液中葡萄糖与Ni(OH)2/GO质量比为1:10-2:1。

[0036] 优选地，氨水溶液的加入方式为滴加，滴加速度为0.1-50mL/min。

[0037] 优选地，加热和煅烧的环境为惰性气氛，惰性气氛选自氮气或氩气。

[0038] 实施例一

[0039] 取15mmol硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于30mL去离子水中，制备0.5mol/L的第一溶液，即硫酸镍水溶液，在转速1000r/min搅拌条件下加入1mg/mL GO水溶液20mL，继续搅拌30min。

[0040] 在转速1000r/min搅拌条件下，在上述混合溶液中逐滴加入5mL26％的氨水溶液，3min滴加完，继续搅拌60min。

[0041] 反应结束后，离心，去离子水和乙醇分别洗涤三次，干燥得到灰绿色Ni(OH)2/GO。

[0042] 取400mg Ni(OH)2/GO和400mg葡萄糖于2mL去离子水中混合均匀后放置于管式炉，在氮气气氛下先150℃加热6h，然后300℃煅烧3h，升温速度为1℃/min,冷却得到碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料,其等效串联电阻为0.63Ω，在不同的电流密度下的比电容如表1和图4所示，体现了葡萄糖的碳化和rGO使其比电容得到有效的提高。

[0043]

[0044] 表1实施例一中制备的碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料不同电流密度下的比电容

[0045] 使用投射电子显微镜(型号：JEM-2100F)拍摄实施例一制备的NiO/rGO@C电极材料得到其TEM图，如图2所示，体现了NiO/rGO@C电极材料保持了rGO的薄层形貌。

[0046] 进一步，使用投射电子显微镜(型号：JEM-2100F)拍摄实施例一制备的NiO/rGO@C电极材料得到其高分辨TEM图，如图3所示，纳米颗粒的晶格间距为～0.22nm和～0.24nm，对应NiO的(200)和(111)面，说明NiO纳米颗粒的生成，NiO纳米颗粒尺寸～5nm，且均匀分布在NiO/rGO@C电极材料中。

[0047] 实施例二

[0048] 取20mmol硫酸镍NiSO4·6H2O溶解于40mL去离子水中，制备0.5mol/L的硫酸镍水溶液，在转速1000r/min搅拌条件下加入1mg/mL GO水溶液20mL，继续搅拌30min。

[0049] 在转速1000r/min条件下，在上述溶液中逐滴加入10mL 26％的氨水溶液，5min滴加完，继续搅拌120min。

[0050] 反应结束后，离心，去离子水和乙醇分别洗涤三次，干燥得到灰绿色Ni(OH)2/GO。

[0051] 取400mg Ni(OH)2/GO和200mg葡萄糖于2mL去离子水中混合均匀后放置于管式炉，在氮气气氛下先150℃加热6h，然后300℃煅烧6h，升温速度为0.5℃/min,冷却得到碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料，其等效串联电阻为0.65Ω，在不同的电流密度下的比电容如表2所示。

[0052]

[0053] 表2实施例二中制备的碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C电极材料不同电流密度下的比电容

[0054] 本发明提供了一种超级电容器电极材料的制备方法，所制备的超级电容器电极材料碳包覆NiO/石墨烯NiO/rGO@C中NiO纳米颗粒均匀分布，GO为NiO纳米颗粒的制备提供活性位点，减少了NiO的团聚，葡萄糖碳化和rGO协同提高电极材料的导电性，因此NiO/rGO@C电极材料比电容得到了有效的提高；同时电极材料中NiO以～5nm左右的纳米颗粒形式均匀分布。

[0055] 以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。