CN102522218A - 一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用 - Google Patents

一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用,所述的纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料孔径为2~65nm范围的平均粒径750nm的纳米氧化镍和厚度为1~20nm厚的还原氧化石墨烯,所述纳米氧化镍与还原氧化石墨烯的质量比为1∶0.01~100;本发明主要利用还原氧化石墨烯的高导电率来降低复合电极的内阻、高比表面及其自身可作为双电层电容器这些特征提高了复合电容器的大功率放电的能力,同时复合电极中的多孔纳米氧化镍的又具有高的赝电容特征,使复合电极同时具备有双电层电容器的好的功率特性和赝电容器高比电容这二重特征,使本发明所制得的复合电极电极材料具有高比电容、高能量密度、高度功率密度和高循环寿命的特性,是一种非常具有应用前景的超级电容器。

Description

一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学能源技术领域和纳米材料学领域,具体涉及一种具有大电流放电功能的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合超级电容器及其电极材料的制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型的储能元件,具有较高的能量密度和功率密度、超长循环寿命以及能在低压下操作等优点,在大功率脉冲电源、电动车驱动电源等领域有广泛用途。按照其储能机理划分,通常把超级电容器划分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。
双电层超级电容器是基于正、负离子在碳电极和电解液界面之间的表面上分别吸附,造成两个电极之间的电势差实现储能。常用的电极材料主要为多孔碳材料(活性碳,碳黑,碳气凝胶,介孔碳以及碳纳米管等),具有比表面积高、物理化学性质稳定等优点,但其比容量较低且能量密度小。而赝电容超级电容器主要是通过在电极表面及体相中发生快速且可逆的氧化-还原反应实现储能;常用的电极材料主要为过渡金属氧化物(RuO2,NiO,Co3O4和MnO2等),具有比容量大、能量密度高和快速充放电的优点,但性能不稳定且成本较高。因此,利用多孔碳与金属氧化物两者的优点发展一种高性能复合电极材料十分必要。
2004年石墨烯的成功制备,为超级电容器的开发提供了新的机遇。石墨烯作为单原子厚度的二维碳材料,理论比表面积高;具有优异的导热性能和力学性能;此外,石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性。因此石墨烯材料、特别是石墨烯复合材料在超级电容器领域的应用受到广泛关注。近来Meryl D.Stoller课题组报道了用化学修饰的石墨烯作为超级电容器的电极材料(Nano Lett 2008;8(10):3498-502),在具有高电导率,并在宽的电压扫描速率下仍具有很好的性能,但比电容较低。
众所周知,无定型水合氧化钌是高功率高能量密度超级电容器最有希望的电极材料,但价格昂贵资源匮乏,所用电解质污染环境,大大限制了它的商业开发。而NiO等氧化物电极材料有着与RuO2·xH2O相似的功能,且价格便宜,但是NiO作为超级电容器材料具有两个非常致命的缺点:一个是导电性比较差,一个是NiO纳米材料容易团聚。近年来,Cheng等(J Power Sources2008;185(2):1563-68.)用模板法合成的梯度多孔NiO作为超级电容器的电极材料与市场购买的NiO相比,不管其电容量、功率密度还是能量密度都要好的多,但在较高的电压下其稳定性较差。
目前的研究热点之一是对氧化镍和石墨烯复合材料的研究,复合材料能发挥出各自的优点,克服单一材料的缺陷,扩大材料的应用范围。专利CN101733985A公开了一种石墨烯/氧化镍层状结构复合薄膜及其制备方法,采用超声法使石墨烯与氧化镍混合,然后高温热处理得到石墨烯/氧化镍层状结构复合膜,该方法制备出得复合膜具有良好的导电性和机械强度,但是需高温烧结处理得到,并且反应时间过长;专利CN102184781A报道了一种纳米氧化镍/石墨烯复合材料及其制备方法,主要采用化学溶液法制备氧化镍/石墨烯的前驱体材料,然后高温烧结,得到氧化镍/石墨烯复合材料,该方法虽然在一定程度上提高了复合材料的比电容量,但是也是在高温烧结下进行,成本相对较高。
发明内容
本发明的目的是为了克服NiO和石墨烯作为超级电容材料存在的缺点,前期采用在低温下,制备石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和多孔纳米氧化镍材料的基础上提供了一种新的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合电极材料及其简便制备方法,这种纳米氧化镍/还原氧化石墨烯复合材料具有良好的电学和力学性能,可用来制备工作电极,应用于在超级电容器电极材料领域。
本发明采用的技术方案是:
一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料,所述的复合电极材料由下列物质组成:孔径为2~65nm范围平均粒径为750nm的纳米氧化镍和厚度为1~20nm厚的还原氧化石墨烯;氧化镍是优秀的赝电容材料,具有很高的比容量,但功率密度较低,可是还原氧化石墨烯是非常好的双电层碳基材料,并具有大功率放电特性,所以通过调控上述二者的不同比例来获得最优性能,所述纳米氧化镍与还原氧化石墨烯的质量比为1∶0.01~100,优选为1.5∶1;所述的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯按照如下步骤制备:
a、取氧化石墨烯加水稀释到浓度0.02~2mg/mL充分混均得氧化石墨烯溶液;
b、取纳米氧化镍,加入到步骤a制备的氧化石墨烯溶液中,超声2~200min,滴入水合肼,在50~150℃下搅拌充分混均,冷却至室温,离心分离得到固体物;所述的氧化石墨烯、纳米氧化镍和水合肼的质量比为:1∶1~100∶0.4~40;
c、将步骤b得到的固体物分别用去离子水、乙醇洗涤后,在50~150℃下真空干燥2~50h,制备得到纳米氧化镍/还原氧化石墨烯。
进一步,本发明所述的纳米氧化镍优选按如下方法制得:水溶性镍盐溶解在去离子水中形成溶液,向所述溶液中加入弱碱,60~140℃下搅拌反应3~10h,反应结束后反应液后冷却至室温,沉淀,过滤,滤饼分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤,70~150℃下真空干燥5~15h,再在空气中加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍处理得到纳米氧化镍;所述水溶性镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种或一种以上的混合;所述弱碱为尿素、二乙胺或羟胺中的一种或一种以上的混合;所述水溶性镍盐和弱碱的摩尔比为1∶0.1~10。
本发明所述的复合电极材料的制备方法,按照如下步骤进行:
A、纳米氧化镍的制备
水溶性镍盐溶解在去离子水中形成溶液,向所述溶液中加入弱碱,60~140℃下搅拌反应3~10h,反应结束后反应液后处理得到纳米氧化镍;所述的后处理为冷却、沉淀,过滤,取滤饼洗涤后干燥,再在加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍;所述水溶性镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种或一种以上的混合;所述弱碱为尿素、二乙胺或羟胺中的一种或一种以上的混合;所述水溶性镍盐和弱碱的摩尔比为1∶0.1~10;
B、纳米氧化镍/还原氧化石墨烯的制备
a、取氧化石墨烯加水稀释到浓度0.02~2mg/mL充份混均得氧化石墨烯溶液;
b、取步骤A制备的纳米氧化镍,加入到步骤a制备的氧化石墨烯溶液中,超声2~200min,滴入水合肼,在50~150℃下搅拌充分混均,冷却至室温,离心分离得到固体物;所述的氧化石墨烯、纳米氧化镍和水合肼的质量比为1∶1~100∶0.4~40;
c、将步骤b得到的固体物分别用去离子水、乙醇洗涤后,在50~150℃下真空干燥2~50h,制备得到纳米氧化镍/还原氧化石墨烯。
进一步,所述步骤A的后处理为:反应液冷却至室温,沉淀,过滤,滤饼分别用蒸馏水、无水乙醇洗1~3次后,于70~150℃下真空干燥5~15h,再在空气中加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍。
本发明所述的氧化石墨烯优选按Hummers使用的方法制备,所述的Hummers使用的方法按照如下步骤进行制备:即取适量的浓硫酸冷却至4℃,然后在搅拌条件下加入鳞片状石墨和硝酸钠,浓硫酸、鳞片状石墨和硝酸钠的质量比为80∶2∶1;继续滴加3倍鳞片状石墨质量的高锰酸钾,搅拌反应90min,然后降低温度至30~40℃,继续反应30min后用去离子水稀释1倍。升高温度至100℃,滴加4倍于鳞片状石墨质量的体积浓度为30%双氧水,反应30min。上述悬浮液经离心洗涤,40~50℃下烘干得到所述的氧化石墨烯;取20mg分散在100mL水中,配得一浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯水溶液。
再进一步,所述的步骤A中的水溶性镍盐优选为为硝酸镍,所述的弱碱优选为尿素。
本发明制所述的纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料可用来制作工作电极,所述的工作电极按如下方法制备:将纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料与导电剂以1∶1~50重量比混合均匀得混合物A,再将所述的混合物A与质量为混合物A质量0.5~20%的粘结剂混合均匀制得混合物B,将所述的混合物B均匀的涂压在泡沫镍上,在50~150℃下干燥5~20小时,制成复合电极,所述的导电剂为乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨等中的一种或一种以上混合;所述的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)、均聚或共聚偏氟乙烯(PVDF或PVDF-HFP)、改性聚丙烯酸及其酯类、聚乙烯醇、丁苯橡胶乳液、羧甲基纤维素钠溶液中的一种或一种以上混合。优选导电剂为乙炔黑粘结剂为均聚或共聚偏氟乙烯(PVDF或PVDF-HFP)。
利用本发明制备的氧化镍/还原氧化石墨烯(NiO/rGO)为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极;电解液为含钾、钠、钙等水溶液,浓度变化范围为:2~10mol/L,用三电极体系进行测量。电化学方法为循环伏安法和恒电流充放电法;循环伏安法的反应条件为:反应电位:-1~1.2伏;扫描1~500毫伏每秒,循环圈数1-10000;恒电流充放电法的反应条件为:恒电流为0.01~100A,反应时间为1秒~1小时。
本发明中我们详细地研究了纯NiO、纯rGO和NiO/rGO复合电极的电化学性能,图3a为实施例6、实施例11和实施例1在50mVs-1扫描速度下的循环伏安曲线,纯NiO的氧化峰和还原峰分别出现在0.26V和0.034V,表明纯NiO的赝电容性能主要是靠氧化-还原反应机理实现的;纯rGO的循环伏安曲线近乎为矩形,为典型的双电层电容;循环伏安曲线所围的面积与电化学比容量成正比,图3a中可以看出NiO/rGO复合电极曲线所围的面积远大于纯NiO和纯rGO电极所围的面积,经过计算NiO/rGO复合电极的比电容高达492Fg-1,而纯NiO电极为297Fg-1,纯rGO电极为86Fg-1。以上数据可以很好的解释NiO和rGO存在协同作用,提高了NiO/rGO复合电极的比电容。
为进一步证明我们实施例6、实施例11和实施例1,即纯NiO、纯rGO和NiO/rGO复合电极进行了阻抗特性的测试,从图3b,可以看出,NiO/rGO电极阻抗曲线与实部(横轴)相交点(液接电阻)仅为82mΩ,而纯NiO为107mΩ,rGO有高电导性阻抗较小。在低频区,NiO/rGO电极阻抗曲线与坐标轴近似成90度,说明电极的质子扩散性能较好。
此外我们还对NiO/rGO电极的大电流放电性能进行测试,从图3d可以看出,NiO/rGO电极在恒电流密度为4.17Ag-1时,表现出最佳的比电容量(671Fg-1)和能量密度(23.3Wh/kg),而当电流密度增加到8.33Ag-1时,总电容量仍然能达到4.17Fg-1时的96.8%(649.5Fg-1)。随着电流密度的增大,超级电容器的电容量逐渐降低。这主要是因为电流密度增大,OH-离子从固液界面向NiO/rGO晶体内部的扩散速率相对于OH-离子从电解液中向固液界面的扩散速率较小,在固液界面的OH-离子没有被及时消耗,因而造成极化增强、活性物质的利用率降低。
同时我们还对NiO/rGO电极的循环寿命性能进行测试,从实施例1中制得的NiO/rGO(6∶4)即图4中我们可以看出,NiO/rGO电极在恒电流密度为4.17Ag-1时,电极充放电1000次后,比电容仍然可以达到496Fg-1,比充放电以前只减少26.1%,这说明制备的NiO/rGO电极具有良好的循环寿命。
本发明的有益效果体现在:
1、利用还原氧化石墨烯的高比表面、及其自身可作为双电层电容器这些特征提高了复合电容器的大功率放电的能力;
2、利用还原氧化石墨烯的高导电率来降低复合电极的内阻,并提高其大功率放电的能力。
3、利用多孔纳米氧化镍的具有大的赝电容特征来提高复合电极的比电容和能量密度;
4、复合电极同时具有了双电层和赝电容二重特征,使电极材料具有高比电容、高能量密度、高度功率密度和高循环寿命的特性;
5、方法相对现有技术,工艺简单、易于操作,产品质量稳定,且成本低,是一种非常具有应用前景的超级电容器。
附图说明
图1a为本发明实施例1制得的氧化石墨烯(GO)扫描电镜(SEM)图。
图1b为本发明实施例1制得的还原氧化石墨烯(rGO)原子力显微(AFM)图。
图1c为本发明实施例1制得的纳米氧化镍(NiO)扫描电镜(SEM)图。
图1d为本发明实施例1制得的纳米氧化镍(NiO)透射电镜(TEM)照片。
图1e为本发明实施例1制得氧化镍(NiO)的高倍扫描电镜(SEM)图。
图1f为本发明实施例1制得的氧化镍/还原氧化石墨烯(NiO/rGO)的扫描电镜(SEM)图。
图2a为本发明实施例11制得的氧化石墨烯(GO)X射线光电子能谱分析(XPS)图。
图2b为本发明实施例11制得的还原氧化石墨烯(rGO)X射线光电子能谱分析(XPS)图。
图2c为本发明实施例1制得的NiO/rGO的X射线衍射(XRD)图谱。
图2d为本发明实施例1制得的rGOX射线衍射(XRD)图谱。
图3a分别为实施例6、实施例11和实施例1中,即NiO、rGO和NiO/rGO(6∶4)的循环伏安曲线。
图3b分别为实施例6、实施例11和实施例1中,即NiO、rGO和NiO/rGO(6∶4)的交流阻抗图。
图3c为实施例1中不同比例NiO/rGO的放电曲线。
图3d为实施例1不同电流密度下NiO/rGO(6∶4)的放电曲线。
图4为实施例1中NiO/rGO(6∶4)充放电效率随循环次数变化的曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述,只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限定,该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
取20mL的0.2M的Ni(NO3)2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M的尿素(CO(NH2)2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为180mg。
取15mg的上述NiO,加入已经制备的50mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨烯的水溶液中,超声10分钟,滴入2mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为25mg,即重量比NiO/rGO=3/2。
将上述制备的产物NiO/rGO复合物、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为4.17Ag-1下的电化学比容量为671Fg-1
实施例2
取20mL的0.2M的NiSO4溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M的尿素(CO(NH2)2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为208mg。
取30mg的上述NiO,加入已经制备的38mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入2mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为37.6mg,即重量比NiO/rGO=4/1。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为4.17Ag-1下电化学比容量为665Fg-1
实施例3
取20mL的0.2M的NiCl2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M的尿素(CO(NH2)2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为117mg。
取20mg的上述NiO,加入已经制备的230mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入5mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为66mg,即重量比NiO/rGO=3/7。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥12小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为4.17Ag-1下电化学比容量为675Fg-1
实施例4
取20mL的0.2M的Ni(NO3)2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M乙二胺(NH2CH2CH2NH2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为160mg。
取24mg的上述NiO,加入已经制备的120mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入2mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为48mg,即重量比NiO/rGO=1/1。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥12小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为0.01Ag-1下电化学比容量为350Fg-1
实施例5
取20mL的0.2M的NiSO4溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M乙二胺(NH2CH2CH2NH2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为133mg。
取20mg的上述NiO,加入已经制备的400mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入10mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为98mg,即重量比NiO/rGO=1/4。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥12小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为0.01Ag-1下,电化学比容量为160Fg-1
实施例6
取20mL的0.2M的Ni(NO3)2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M的尿素(CO(NH2)2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为180mg。
将制备的产物NiO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为4.17Ag-1下的电化学比容量为297Fg-1
实施例7
取20mL的0.2M的NiCl2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL的1M乙二胺(NH2CH2CH2NH2),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,滤饼分别用50mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为220mg。
取90mg的上述NiO,加入已经制备的50mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入2mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和乙醇洗涤三次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为100mg,即重量比NiO/rGO=9/1。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥12小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为0.01Ag-1下电化学比容量为637Fg-1
实施例8
取20mL的0.2M的Ni(NO3)2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mLof1M羟胺(NH2OH),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,分别用30mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为177mg。
取15mg的上述NiO,加入到650mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入20mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤数次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为150mg,即重量比NiO/rGO=1/9。
将制备的产物还原氧化石墨烯、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即还原氧化石墨烯、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为8.33Ag-1下的电化学比容量为549.5Fg-1
实施例9
取20mL的0.2M的NiSO4溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL of 1M羟胺(NH2OH),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,分别用30mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为177mg。
取15mg的上述NiO,加入到175mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入2mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤数次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为48mg,即重量比NiO/rGO=3/7。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为8.33Ag-1下的电化学比容量为315Fg-1
实施例10
取20mL的0.2M的NiCl2溶液,加入到烧杯中,然后滴入18mL of 1M羟胺(NH2OH),在90℃下搅拌6小时后,快速冷却至室温,产生沉淀,过滤,分别用30mL蒸馏水和30mL无水乙醇洗涤3次。固体产物在110℃下真空干燥5小时,然后在空气中加热到300℃得到NiO为177mg。
取15mg的上述NiO,加入到300mL浓度为0.2mg/mL氧化石墨的水溶液中,超声10分钟,滴入12mL的水合肼,在80℃下,搅拌加热5小时,自然冷却到室温,离心分离,固体物分别用30mL去离子水和30mL乙醇洗涤数次,固体产物在90℃下真空干燥6小时,制得产物氧化镍石墨烯的复合物为75mg,即重量比NiO/rGO=1/4。
将制备的产物NiO/rGO、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即NiO/rGO、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥6小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,NiO/rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为8.33Ag-1下的电化学比容量为317Fg-1
实施例11
用天然鳞片石墨反应生成氧化石墨,第一阶段为低温反应:在冰水浴中放入大烧杯,加入110mL浓硫酸在磁力搅拌器上搅拌,当温度降至4℃左右时加入鳞片状石墨5g,再加入2.5g NaNO3,然后缓慢加入15gKMnO4,搅拌反应90min,溶液呈紫绿色。将冰水浴换成温水浴,在磁力搅拌器搅拌下将烧杯里的温度控制在30~40℃让其反应30min,这时溶液呈紫绿色,反应结束之后,缓慢加入220mL去离子水,加热保持温度98℃左右,缓慢加入20mL双氧水,此时反应液变为金黄色。反应后的溶液在离心机中多次离心洗涤,样品在40~50℃温度下烘干,得黄色固体6g,取100mg溶于500mL水中,加入5mL的80%水合肼在80℃下还原1h,最后过滤分别用100mL水和乙醇洗三次,烘干得到还原氧化石墨烯88mg。
将制备的产物还原氧化石墨烯、乙炔黑和5%的聚偏氟乙烯(PVDF)的氮甲基吡咯烷酮溶液,以8∶1∶1的重量比混合,即还原氧化石墨烯、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)分别为24mg、3mg和3mg。此后将此混合物压在泡沫镍,在100℃下干燥12小时,作为工作电极,电化学测试采用三电极体系,rGO为工作电极,银/氯化银电极为参比电极,铂电极为反电极,6M的KOH为电解液,进行恒电流充放电测试。在放电电流为0.01Ag-1下电化学比容量为86Fg-1

Claims (8)

1.一种多孔纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料,其特征在于:所述的复合电极材料由下列物质组成:孔径为2~65nm范围的平均粒径为750nm的纳米氧化镍和厚度为1~20nm厚的还原氧化石墨烯,所述纳米氧化镍和还原氧化石墨烯的质量比为1∶1~100;所述的纳米氧化镍/还原氧化石墨烯按照如下步骤制备:
a、取氧化石墨烯加水稀释到浓度0.02~2mg/mL充分混均得氧化石墨烯溶液;
b、取纳米氧化镍,加入到步骤a制备的氧化石墨烯溶液中,超声2~200min,滴入水合肼,在50~150℃下搅拌充分混均,冷却至室温,离心分离得到固体物;所述的氧化石墨烯、纳米氧化镍和水合肼的质量比为:1∶1~100∶0.4~40;
c、将步骤b得到的固体物分别用去离子水、乙醇洗涤后,在50~150℃下真空干燥2~50h,制备得到纳米氧化镍/还原氧化石墨烯。
2.如权利要求1所述的纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料,其特征在于所述的纳米氧化镍按如下方法制得:水溶性镍盐溶解在去离子水中形成溶液,向所述溶液中加入弱碱,60~140℃下搅拌反应3~10h,反应结束后反应液后冷却至室温,沉淀,过滤,滤饼分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤,70~150℃下真空干燥5~15h,再在空气中加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍;所述水溶性镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种或一种以上的混合;所述弱碱为尿素、二乙胺或羟胺中的一种或一种以上的混合;所述水溶性镍盐和弱碱的摩尔比为1∶0.1~10。
3.一种如权利要求1所述的复合电极材料的制备方法,其特征在于,所述方法按照如下步骤进行:
A、纳米氧化镍的制备
水溶性镍盐溶解在去离子水中形成溶液,向所述溶液中加入弱碱,60~140℃下搅拌反应3~10h,反应结束后反应液后处理得到纳米氧化镍;所述的后处理为冷却、沉淀,过滤,取滤饼洗涤后干燥,再在加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍;所述水溶性镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍中的一种或一种以上的混合;所述弱碱为尿素、乙二胺或羟胺中的一种或一种以上的混合;所述水溶性镍盐和弱碱的摩尔比为1∶0.1~10;
B、纳米氧化镍/还原氧化石墨烯的制备
a、取氧化石墨烯加水稀释到浓度0.02~2mg/mL充分混均得氧化石墨烯溶液;
b、取步骤A制备的纳米氧化镍,加入到步骤a制备的氧化石墨烯溶液中,超声2~200min,滴入水合肼,在50~150℃下搅拌充分混均,冷却至室温,离心分离得到固体物;所述的氧化石墨烯、纳米氧化镍和水合肼的质量比为:1∶1~100∶0.4~40;
c、将步骤b得到的固体物分别用去离子水、乙醇洗涤后,在50~150℃下真空干燥2~50h,制备得到纳米氧化镍/还原氧化石墨烯。
4.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法,其特征在于所述的步骤A的后处理为:反应液冷却至室温,沉淀,过滤,滤饼分别用蒸馏水、无水乙醇洗1~3次后,于70~150℃下真空干燥5~15h,再在空气中加热到200~600℃制备得到纳米氧化镍。
5.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法,其特征在于所述的氧化石墨烯按Hummers法制备,所述的Hummers法按如下步骤进行:取浓硫酸冷却至4℃,然后在搅拌条件下加入鳞片状石墨和硝酸钠,浓硫酸、鳞片状石墨和硝酸钠的质量比为80∶2∶1,继续滴加3倍鳞片状石墨质量的高锰酸钾,搅拌反应90min,然后降低温度至30~40℃,继续反应30min后用去离子水稀释1倍,升高温度至100℃,滴加4倍于鳞片状石墨质量的体积浓度为30%的双氧水,反应30min;上述悬浮液经离心洗涤,40~50℃下烘干得到所述的氧化石墨烯。
6.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法,其特征在于步骤A所述的水溶性镍盐为硝酸镍。
7.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法,其特征在于步骤A所述的弱碱为尿素。
8.如权利要求1所述的纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料在制作工作电极中的应用,所述的工作电极按如下方法制备:将纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料与导电剂以1∶1~50重量比混合均匀得混合物A,再将所述的混合物A与质量为混合物A质量的0.5~20%的粘结剂混合均匀制得混合物B,将所述的混合物B均匀的涂压在泡沫镍上,在50~150℃下干燥5~20小时,制成复合电极,所述的导电剂为乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨等中的一种或一种以上任意比例的混合;所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性聚丙烯酸及其酯类、聚乙烯醇、丁苯橡胶乳液、羧甲基纤维素钠溶液中的一种或一种以上混合。
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