一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法，其特征在于，CuO/NiO/NG/NF复合电极材料是将预处理的泡沫镍浸入含有乙酸铜、邻菲罗啉、乙醇和乙二醇混合溶液中，再与氢氧化钠的乙二醇溶液在通氮气条件下，以1‑20℃/min的升温速度升温至400‑600℃，保温1‑6h反应得到CuO/NiO/NG/NF多级网状结构复合电极材料，该电极材料具有很好的比电容和良好的循环稳定性，在电流密度为5A/g充放电循环2000圈后电极的比电容保留率为97％。

权利要求

1.一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法，其特征在于，CuO/NiO/氮掺杂石墨烯(NG)/NF复合电极材料是将预处理的泡沫镍浸入含有乙酸铜、邻菲罗啉、乙醇和乙二醇混合溶液中，再与氢氧化钠的乙二醇溶液反应得到CuO/NiO/NG/NF多级网状结构复合材料，所述复合材料可用作超级电容器的电极材料，所述方法包括下述步骤：(1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

(2)称取0.01-1mmol的乙酸铜溶于0.1-5ml乙二醇中，记为溶液a；

(3)称取0.001-0.1g邻菲罗啉溶于0.1-5ml乙醇中，记为溶液b；

(4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

(5)将0.01-0.5g氢氧化钠和1-5ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为1：1-1：20，将两个石英舟①和②先后放到管式炉中，通氮气，以1-20℃/min的升温速度升温至400-600℃，保温1-6h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

说明书

一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法，具体地说，是涉及一种具有良好充放电性能和循环稳定性能的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 超级电容器具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长及成本低等特点，广泛应用于便携式电子设备、混合动力电车及大型智能电网等领域。但由于导电性能差而很难进一步达到理论比电容量。传统的方法通常是采用加入胶粘剂和导电石墨与活性电极材料做成糊状电极材料涂抹到电极上，使得活性电极材料的性能难以充分发挥作用。为解决这一问题，利用泡沫镍作为电极集流体，使电极材料直接生长在泡沫镍骨架上，可以使电极材料的性能通过协同作用而大大提高。

[0003] CuO电极材料因其具有环境友好、储量丰富、成本低、制备方法简单等特点受到了科研工作者的关注；NiO电极材料具有理论比电容大、价格低廉、原料丰富、环境友好等特点而备受关注，但是由于过渡金属氧化物导电率较低，所以实际的比电容较低。石墨烯具有比表面积大、超高的载流子迁移率及化学稳定性好等优点。为提高其导电性，通常将石墨烯与过渡金属氧化物复合，但往往需要预先合成石墨烯，再和其它过渡金属氧化物复合，导致石墨烯难以均匀分散，与无机材料的界面结合效果差，使其优异的电性能难以充分发挥出来，并且其制备过程和后处理过程繁琐复杂，制备条件苛刻，不利于过渡金属氧化物复合电极材料在商业中的广泛应用。另一方面，制备高比表面积的电极材料能够在电化学反应过程中提供更多的电活性位点，进而增强超级电容器的电容性能。

[0004] 基于上述原因，如何找到一种工艺相对简单、反应条件较温和，并能制备出高比表面积和导电性高的具有良好充放电性能和循环稳定性能的CuO/NiO/氮掺杂石墨烯/NF复合电极材料，则是本发明所要解决的主要问题。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于提供一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法。所述制备工艺相对简单，得到的多孔网状复合结构有利于电化学过程中电子和电解质离子的传输，从而有利于电化学储能反应的发生，可以有效的改善电极材料的电化学性能，利用泡沫镍作为基底，使CuO，NiO和石墨烯直接生长在泡沫镍骨架上，得到的CuO，NiO具有很好的氧化还原性，石墨烯和Ni可以提高导电性，有效避免电极循环稳定性差、内阻高等问题，将其三者复合，可以使所制备的多孔电极材料具有更高的比电容和良好的循环性。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0007] 一种CuO/NiO/NG/NF复合电极材料及其制备方法，其特征在于，所述多级网状结构可用作超级电容器的电极材料，所述制备方法包括下述步骤：

[0008] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0009] (2)称取0.01-1mmol的乙酸铜溶于0.1-5ml乙二醇中，记为溶液a；

[0010] (3)称取0.001-0.1g邻菲罗啉溶于0.1-5ml乙醇中，记为溶液b；

[0011] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0012] (5)将0.01-0.5g氢氧化钠和1-5ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为1：1-1：20，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以1-20℃/min的升温速度升温至400-600℃，保温1-6h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

附图说明

[0013] 图1为利用本发明实施例一所述方法制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的X射线粉末衍射(XRD)图谱。

[0014] 图2为利用本发明实施例一所述方法制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的扫描电子显微镜(SEM)照片。

[0015] 图3为利用本发明实施例一所述方法制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的充放电性能测试结果。

[0016] 图4为利用本发明实施例一所述方法制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的循环稳定性测试结果。

具体实施方式

[0017] 实施例一：

[0018] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0019] (2)称取0.3mmol的乙酸铜溶于0.8ml乙二醇中，记为溶液a；

[0020] (3)称取0.007g邻菲罗啉溶于1ml乙醇中，记为溶液b；

[0021] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0022] (5)将0.1g氢氧化钠和2ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为3:25，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以5℃/min的升温速度升温至500℃，保温4h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

[0023] 实施例二：

[0024] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0025] (2)称取0.6mmol的乙酸铜溶于0.8ml乙二醇中，记为溶液a；

[0026] (3)称取0.014g邻菲罗啉溶于1ml乙醇中，记为溶液b；

[0027] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0028] (5)将0.1g氢氧化钠和2ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为6:25，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以5℃/min的升温速度升温至500℃，保温4h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

[0029] 实施例三：

[0030] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0031] (2)称取0.15mmol的乙酸铜溶于0.8ml乙二醇中，记为溶液a；

[0032] (3)称取0.007g邻菲罗啉溶于1ml乙醇中，记为溶液b；

[0033] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0034] (5)将0.1g氢氧化钠和2ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为3:50，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以5℃/min的升温速度升温至550℃，保温4h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

[0035] 实施例四：

[0036] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0037] (2)称取0.3mmol的乙酸铜溶于1.6ml乙二醇中，记为溶液a；

[0038] (3)称取0.007g邻菲罗啉溶于2ml乙醇中，记为溶液b；

[0039] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0040] (5)将0.2g氢氧化钠和2ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为3:50，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以10℃/min的升温速度升温至550℃，保温4h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

[0041] 实施例五

[0042] (1)泡沫镍预处理：将泡沫镍基底剪成1cm×1cm大小的正方形片，将泡沫镍片放入丙酮中浸泡5min，将泡沫镍片取出，再将泡沫镍片放入1mol/L的稀盐酸中浸泡5min，最后，将泡沫镍取出分别用去离子水和无水乙醇超声洗涤三次，在60℃的真空干燥箱中干燥；

[0043] (2)称取0.3mmol的乙酸铜溶于2.4ml乙醇中，记为溶液a；

[0044] (3)称取0.1g邻菲罗啉溶于2ml乙醇中，记为溶液b；

[0045] (4)将配好的溶液a倒入溶液b，混合均匀后，放入石英舟①中，再将步骤(1)预处理的泡沫镍放入石英舟①中；

[0046] (5)将0.1g氢氧化钠和2ml乙二醇放入另一石英舟②中，使乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为3:25，将两个石英舟①和②先后放到的管式炉中，通氮气，以2℃/min的升温速度升温至450℃，保温6h，冷却后，得到CuO/NiO/NG/NF复合电极材料。

[0047] 图1为利用本发明所述方法实施例一制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的X射线粉末衍射(XRD)图谱。图中尖锐的衍射峰(标记为&)来自金属镍，弱的衍射峰(标记为#，*)分别对应于CuO，NiO的衍射峰。

[0048] 图2为利用本发明所述方法实施例一制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图2a可以看出，CuO/NiO/NG均匀的生长在三维网状结构的泡沫镍上。从图2b可以看出，所得复合结构是由纳米棒组装而成的珊瑚状，这种结构增加了电极材料的比表面积，有利于电解质的有效传输。

[0049] 图3为本发明所述方法实施例一制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料的充放电性能和循环稳定性测试结果。从图3中可以看出，NiO/氮掺杂石墨烯/NF作为电极材料在电流密度为1A/g，2A/g，5A/g，10A/g时，比电容分别为2150F/g,1900F/g,1480F/g,1170F/g。通过NiO、氮掺杂石墨烯、泡沫镍三者复合，可以使所制备的多级网络结构电极材料具有很好的比电容。

[0050] 图4为利用本发明所述方法制备的CuO/NiO/NG/NF复合电极材料作为超级电容器电极材料，充放电循环稳定性测试结果。从图4可以看出，在电流密度为5A/g充放电循环2000圈后电极的比电容保留率为96％。通过CuO、NiO、氮掺杂石墨烯、泡沫镍四者复合，可以使所制备的多级网络结构电极材料具有良好的循环稳定性。

[0051] 上述实施例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。