CN104773762A - 一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料，NiCo2O4介孔纳米管材料生长在碳纤维布基底上，所述的NiCo2O4介孔纳米管材料由粒径为5～10nm的NiCo2O4纳米晶组装而成，内径为20～50nm，壁厚为10～20nm，管长为0.5～2.0μm，长径比为250～1000；所述介孔为NiCo2O4纳米晶之间的孔隙，介孔尺寸为2～5nm。本发明还提供了其制备方法，通过对水热反应条件的精确控制，在碳纤维布上生长了具有特殊结构的NiCo2O4介孔纳米管材料，作为超级电容器电极材料使用时，具备高的比电容，大电流密度下的倍率性能以及长期的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料的制备领域，尤其涉及一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料及其制备方法。
背景技术
过渡金属氧化物如NiO、Co3O4、MnO2、NiCo2O4等资源丰富，价格低廉，理论比电容高，电化学可逆性好，被认为是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。其中，尖晶石结构的二元过渡金属氧化物NiCo2O4因其理论比容量高、结构稳定、循环性能好等优点，受到了广泛关注。由于赝电容反应主要发生在材料表层，具有较高比表面积的材料将具有更高的实际比电容，大电流充放电性能也会更好，因此将NiCo2O4制成纳米材料，利用纳米材料的大比表面积特性来提高其电化学性能是一个行之有效的策略，NiCo2O4纳米线、纳米棒和纳米片等多种纳米结构近年来都有报道，均表现出较高的超电容性能。
NiCo2O4的主要合成方法有：高温固相法、机械化学合成法、溶胶凝胶法、液相化学共沉淀法、共沉淀热分解及水热法等，高温固相法为传统的合成方法，虽然工艺简单，但是由于NiCo2O4的热稳定性差的性质，在400-600℃间部分分解，使其某些活性如催化活性降低。机械活性合成法，在制备过程中引入大量应变和缺陷，所得产物分散性差。溶胶凝胶法通过加入表面活性剂得到的产物颗粒粒径较小且分布均匀，但容易引入杂质。而液相化学沉淀法合成的产物结构不完整，会生成部分亚稳相。
目前，多采用共沉淀热分解及水热法制备NiCo2O4。如公开号为CN103318978A的中国专利文献公开了一种介孔钴酸镍的制备方法，以可溶性镍盐、钴盐为原料，草酸盐为沉淀剂，在Ni2+—Co2+—NH3—NH4 +—SGn-—Co2O4 2—H2O—C2H5OH体系中制备出纤维状前驱体，然后置于250-400℃温度、空气气氛中热分解得到介孔NiCo2O4纤维。又如公开号为CN102745752A的中国专利文献公开了一种水热法合成介孔钴酸镍纳米线的方法及其应用，将CoCl2.6H2O、NiCl2.6H2O和CO(NH2)溶解于适量去离子水中，其中CoCl2.6H2O与NiCl2.6H2O的摩尔比为1:2，利用磁力搅拌器将混合溶液搅拌均匀并转移至高压釜内，加热至100℃，恒温10h。待冷却至室温后，将反应物过滤、洗涤，干燥后在空气气氛中250℃退火2h。但上述方法分别制备得到的产品均为纤维结构。
目前，对于NiCo2O4的纳米管材料也有研究，但主要是采用静电纺丝法制备，用该法制备的纳米管管径粗，残留有机物会降低NiCo2O4的电导率，其制成超级电容器电极一般采用混合化学胶水和导电剂的刮浆法，制成的电极内部材料致密堆积、内阻较大，这些因素减小了纳米NiCo2O4的纳米尺寸效应，不利于超电容性能的进一步改善。此外，虽然NiCo2O4电导率较高，但是与碳材料与贵金属氧化物相比导电率还是不够高，大电流密度下比电容衰减较快，倍率性能较差，现有研究或者与高导电材料复合，如与碳纳米管、石墨烯等复合，或者将NiCo2O4直接生长在泡沫镍等金属基底上，不过受限于NiCo2O4材料结构和基底材料的限制，超电容性能改进有限。
发明内容
本发明提供了一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，通过对水热反应条件的精确控制，在碳纤维布上生长了具有特殊结构的NiCo2O4介孔纳米管材料，作为超级电容器电极材料使用时，具备高的比电容，大电流密度下的倍率性能以及长期的循环性能。
一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料，NiCo2O4介孔纳米管材料生长在碳纤维布基底上，所述的NiCo2O4介孔纳米管材料由粒径为5～10nm的NiCo2O4纳米晶组装而成，内径为20～50nm，壁厚为10～20nm，管长为0.5～2.0μm，长径比为250～1000；所述介孔为NiCo2O4纳米晶之间的孔隙，介孔尺寸为2～5nm。
一种所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，具体步骤如下：
将尿素、硝酸镍、氯化钴和六亚甲基四胺按化学计量比为42～48:1:2:6～8与去离子水混合，溶解完全后得到前驱体溶液，将碳纤维布置于前驱体溶液中，在90～110℃下经水热反应6～8h，再经洗涤、干燥及热处理得到所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料。
加入基底后，在基底表面原位合成了由NiCo2O4纳米晶组装而成的NiCo2O4介孔纳米管材料。
作为优选，所述前驱体溶液中Ni2+浓度为2.6～3.2g/L。
所述的硝酸镍也可以为六水合硝酸镍，氯化钴为六水合氯化钴。
作为优选，所述水热反应在聚四氟乙烯反应釜内进行，所述反应釜的填充度为60～80％。进一步优选，所述的水热反应温度为95～105℃。
作为优选，所述碳纤维布的尺寸为2×2cm2。
作为优选，所述的干燥温度为70℃。
作为优选，所述的热处理在惰性气体保护下进行，热处理温度为300～400℃，保温时间为2～6h。
本发明制备的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料是一种优良的超级电容器电极材料，由粒径为5～10nm的纳米晶组装而成，小粒径材料能显著减小电子、离子在材料内部的传输距离，提高大电流充放电能力；材料比表面积大，表层材料占比高，能显著提高NiCo2O4充放电利用效率；NiCo2O4纳米晶之间有尺寸为2～5nm的孔隙，使管壁呈现介孔结构，同时材料中心还有一个较大的中空管道，这些结构上的特性使构筑NiCo2O4介孔纳米管的内外晶粒都方便且充分接触到电解液，材料的大比表面积被高效且有效利用，从而显著改善NiCo2O4的比电容，大电流密度下的倍率性能以及长期的循环性能。基底材料选择高导电的碳纤维布。由整齐碳纤维组成的碳布，可保证生长在基底上的NiCo2O4纳米管材料与电解液充分接触，增大了有效接触面积，同时有利于电子、离子在电极内的快速传输，可以增强NiCo2O4的导电性。生长的NiCo2O4电极材料彼此之间保留着适当的空间，减小了电解质离子在电极材料之间穿插的阻力，也能提升NiCo2O4的利用率，提高大电流充放电条件下NiCo2O4的倍率特性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过对水热反应条件的精确控制，制备了一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料，该NiCo2O4介孔纳米管材料具备特殊的形貌，作为超级电容器电极材料使用时，具备高的比电容，大电流密度下的倍率性能以及长期的循环性能。
附图说明
图1和图2分别为实施例1制备的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料在不同放大倍数下的SEM图，图1的插图为NiCo2O4介孔纳米管的局部放大SEM图。
图3为实施例1制备的NiCo2O4介孔纳米管材料的XRD谱图。
具体实施方式
实施例1
取0.32g Ni(NO3)2·6H2O、0.53g CoCl2·6H2O、2.97g CO(NH2)2和1.1gN4(CH2)6溶解在100mL去离子水中，至完全溶解形成澄清的粉色溶液；然后将60mL溶液转移到100mL的高压反应釜中，再将一块清洗干净的2×2cm2的碳纤维布放置于溶液，反应釜密闭后放入烘箱，加热至95℃，保温时间8h，将水热反应后的碳纤维布取出后用去离子水清洗，70℃烘干，再置于惰性气体保护下的石英管式炉中退火处理，加热温度为350℃，保温时间为3h，待冷却至室温取出样品，对其SEM图谱分析发现，如图1和2所示，生长在碳纤维布上的NiCo2O4呈现纳米管形态，管内径约40nm，管壁厚约20nm，管长约1.2μm，长径比约300。对纳米管口放大观察，如图1插图所示，NiCo2O4纳米管由纳米晶组装而成，纳米晶的粒径约5～10nm，纳米晶之间存在尺寸约2～5nm的介孔。对样品置于水溶液使用超声波震动，震落粉末再收集进行XRD物相分析，图3所示，样品的衍射峰与NiCo2O4(JCPDS 20-0781)完全吻合，并无其他杂质峰存在，表明产物是高纯的NiCo2O4材料。
实施例2
取0.29g Ni(NO3)2·6H2O、0.48g CoCl2·6H2O、2.50g CO(NH2)2和1gN4(CH2)6溶解在100mL去离子水中，至完全溶解形成澄清的粉色溶液；然后将80mL溶液转移到100mL的高压反应釜中，再将一块清洗干净的2×2cm2的碳纤维布放置于溶液，反应釜密闭后放入烘箱，加热至100℃，保温反应8h，将水热反应后的碳纤维布取出后用去离子水清洗，70℃烘干，再置于惰性气体保护下的石英管式炉中退火处理，加热温度为380℃，保温时间为2h，待冷却至室温取出样品，对其进行SEM图谱分析发现，生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的纳米晶粒径约5～10nm，介孔尺寸约2～5nm，管内径约30nm，管壁厚约16nm，管长约0.9μm，长径比约300。
实施例3
取0.26g Ni(NO3)2·6H2O、0.43g CoCl2·6H2O、2.43g CO(NH2)2和0.9gN4(CH2)6溶解在100mL去离子水中，至完全溶解形成澄清的粉色溶液；然后将80mL溶液转移到100mL的高压反应釜中，再将一块清洗干净的2×2cm2的碳纤维布放置于溶液，反应釜密闭后放入烘箱，加热至105℃，保温时间6h，70℃烘干；再置于惰性气体保护下的石英管式炉中退火处理，加热温度为300℃，保温时间为6h，待冷却至室温取出样品，对其SEM图谱分析发现，生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的纳米晶粒径约5～10nm，介孔尺寸约2～5nm，管内径约20nm，管壁厚约12nm，管长0.6μm，长径比约300。
Claims (8)
1.一种生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料，其特征在于，NiCo2O4介孔纳米管材料生长在碳纤维布基底上，所述的NiCo2O4介孔纳米管材料由粒径为5～10nm的NiCo2O4纳米晶颗粒组装而成，内径为20～50nm，壁厚为10～20nm，管长为0.5～2.0μm，长径比为250～1000；所述介孔为NiCo2O4纳米晶之间的孔隙，介孔尺寸为2～5nm。
2.一种根据权利要求1所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将尿素、硝酸镍、氯化钴和六亚甲基四胺按化学计量比为42～48:1:2:6～8与去离子水混合，溶解完全后得到前驱体溶液，将碳纤维布置于前驱体溶液中，在90～110℃下经水热反应6～8h，再经洗涤、干燥及热处理得到所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料。
3.根据权利要求2所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中Ni2+浓度为2.6～3.2g/L。
4.根据权利要求2所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应在聚四氟乙烯反应釜内进行，所述反应釜的填充度为60～80％。
5.根据权利要求4所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述的水热反应温度为95～105℃。
6.根据权利要求2所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布的尺寸为2×2cm2。
7.根据权利要求2所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述的干燥温度为70℃。
8.根据权利要求2所述的生长在碳纤维布上的NiCo2O4介孔纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述的热处理在惰性气体保护下进行，热处理温度为300～400℃，保温时间为2～6h。
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