一種Pr(OH)3一維納米棒的製備方法與流程
2023-06-01 03:30:51 2
本發明涉及能源儲存材料技術領域，更具體地，涉及一種Pr(OH)3一維納米棒的製備方法。
背景技術：
作為人類社會和經濟發展的重要物質基礎，能源問題一直是困擾著社會的一個重要問題。隨著人口的爆炸式增長和社會的快速發展，人類對能源的各種需求亦日益增長。但是隨著傳統化石能源的不可再生和過度開發，現有的以傳統化石能源為主體的能源結構明顯已不能長期滿足未來社會對能源的各種需求。另外，伴隨著化石能源的開發，溫室效應日益嚴重，生態環境日益惡化，純淨和可再生的綠色能源已經成為人們關注的焦點。諸如太陽能、風能、地熱能、海洋能等一系列的新型綠色能源往往存在著地區分布不均衡的問題，受限於自然條件，通常需要將其轉化為電能才方便使用。由於地區的需求往往不匹配，通常需要一個電源存儲系統將多餘的能量儲存起來，在需求時再使之釋放出來而再被利用。所以實現新能源的深度開發和高效利用，新型高效、穩定的電能存儲裝置的研製是關鍵。
超級電容器，又叫電化學電容器，是一種性能介於電池與傳統電容器之間的新型能量存儲裝置，具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、環境友好等諸多優點。與傳統的電容器相比，超級電容器具有更高的能量密度；而與電池相比，超級電容器則具有更高的功率密度和循環穩定性。此外，超級電容器還可以與燃料電池、鎳氫電池等電池聯合使用，不但可以滿足電動汽車在啟動、加速和爬坡時的高功率需求，而且在汽車剎車時又可以快速存儲發電機產生的大電流，從而有效減少大電流充放電對電池的破壞，達到延長電池的壽命效果。因此，超級電容器目前已經被廣泛應用在電動汽車、計算機備用電源、應急照明、信號監控等領域。鑑於其廣泛的應用前景，諸如歐美、日本、俄羅斯等發達國家都對超級電容器給予了高度的重視，並投入極大的力度進行研發。我國也加大了超級電容器的研發力度，並將超級電容器列入《國家中長期科學和技術發展綱要》(2005－2020年)。因此，深入開展超級電容器的研究具有重要的應用意義。
目前所發現的Pr(OH)3材料，多被用於化工、石油、電子器件、永磁材料等方面，在超電容方面的報導極少出現。鐠（Pr）屬周期系ⅢB族，稀土元素，鑭系元素。它作為用量較大的稀土元素，很大一部分是以混合稀土的形式被利用，比如用作金屬材料的淨化變質劑、化工催化劑、農用稀土等等。此外，稀土永磁材料也是鐠的一大熱門應用。它的氧化物及氫氧化物在磁性材料、催化材料、儲氫材料、光學器件等領域擁有廣闊的應用前景。作為一維納米結構材料，Pr(OH)3的納米棒擁有著其他優異性能，如巨大比表面積、電子傳輸路徑變短，導電性能提升。因此本發明中Pr(OH)3材料的高比表面積，低電子傳輸路徑整合，有效增多了活性位點，提高了電極的導電性，進一步提高了電極的超電容性能。此外，目前納米材料的大批量生產仍然限制著納米材料的發展。本發明所設計方法為其進一步應用於能源儲存領域打下了堅實的理論和實踐基礎。
技術實現要素：
本發明的目的在於根據現有技術的不足，提供了一種Pr(OH)3一維納米棒的製備方法。
本發明所述製備方法可以克服現有技術中超電容負極材料大規模生產僅僅局限於碳基材料的問題。本發明製備得到的Pr(OH)3一維納米棒可作為超電容負極材料，並具備優異的電容性能。
本發明上述目的通過以下技術方案實現：
本發明提供了一種Pr(OH)3一維納米棒的製備方法，所述製備方法為配置前驅體溶液，通過一步恆電流電鍍法在工作電極表面生成Pr(OH)3一維納米棒；所述前驅體溶液為鐠鹽和銨鹽的混合水溶液，所述前驅體溶液中鐠鹽的濃度為（1~8）g/L；所述鐠鹽和銨鹽的混合比為（1~7）：1；所述電鍍溫度為60~80℃，電鍍電流為1.5-2 mA；所述電鍍時間為1~3h。
優選地，所述前驅體溶液中鐠鹽的濃度為4.5g/L；所述鐠鹽和銨鹽的混合比為3:1。
優選地，所述電鍍溫度為70℃，電鍍電流為2 mA；所述電鍍時間為2h。
優選地，所述鐠鹽為硝酸鐠，所述銨鹽為硝酸銨。
優選地，所述工作電極為導電碳布、金屬導電材料或導電FTO玻璃。
優選地，所述工作電極為鈦片，鉑電極為對電極。
本發明採用工作電極作為載體，Pr(OH)3一維納米棒在該載體上形成，該載體可以是多種常規導電載體，例如商業的導電碳布或者鈦片、銅片、導電FTO玻璃等等。
本發明所製備的電極材料，可用作超級電容材料，解決了現有Pr(OH)3材料中比表面積低引起的活性位點少的問題。
在本發明的技術方案中，通過設定合適的前驅體溶液的組分及其比例，對氫氧化鐠納米材料的形貌調控，使其可控生長；通過設定合適的反應時間及溫度，獲得了合適的一維氫氧化鐠納米棒的尺寸；通過設定合適的加載電流，使得氫氧化鐠能在載體表面上均勻生長。
本發明採用一步恆電流電鍍法製備Pr(OH)3材料，克服了現有技術中採用水熱法等不能直接在載體上生成目標產物的缺陷，同時，水熱法生成的材料由於沒有載體作為支撐，自身比表面積比較小，導致其活性位點較低。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明中將直接在載體上合成具有高比表面積的Pr(OH)3一維納米棒，從而提高了電極材料的比表面積，大大增多了電極表面的活性位點，從而有效增大了電極材料的電容性能。另外，由於一維納米材料所獨有的性質，電子傳輸路徑變短，更有利於電容性能的表達。同時本發明通過控制製備條件，調控了Pr(OH)3納米材料的生長，獲得了電容性能進一步提升的目標產物。
附圖說明
圖1：(a)為實施例1中Pr(OH)3納米棒的低倍率掃描電鏡(SEM)圖片，(b)為實施例1中Pr(OH)3納米棒的高倍率掃描電鏡(SEM)圖片；
圖2：(a)為實施例1中 Pr(OH)3納米棒的X-射線衍射(XRD)譜圖，(b)為實施例1中Pr(OH)3納米棒在100 mV/s下的循環伏安曲線。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體實施例來進一步說明本發明，但實施例並不對本發明做任何形式的限定。除非特別說明，本發明採用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。
除非特別說明，本發明所用試劑和材料均為市購。
實施例1：
Pr(OH)3納米棒在鈦片上的合成是通過恆電流法實現的。在恆電流法電流加載前，鈦片(1.5 cm × 3 cm)依次在去離水、乙醇、丙酮、去離子水分別超聲清洗10分鐘，然後用壓縮空氣吹乾備用。將清洗乾淨的鈦片浸入裝有20 ml硝酸鐠和硝酸銨混合起來的前驅水溶液的兩電極體系中，其中對應六水合硝酸鐠90 mg、對應硝酸銨30 mg。以鈦片作為工作電極，以鉑電極為對電極，將兩電極體系置於70 ℃的油浴鍋中。待體系溫度穩定後，對體系施加負2.0 mA的加載電流，並保持反應2 h。反應結束後將鈦片取出，所得樣品用去離水反覆清洗三遍，60 ℃烘乾。
性能試驗：對製備的Pr(OH)3納米棒進行了場發射掃描電子顯微電鏡測試。結果如圖1所示，掃描電子顯微鏡圖顯示了一維Pr(OH)3納米棒可以均一、規整的生長在鈦片上。從圖1a、b中比例尺可以看出，Pr(OH)3納米棒的長度在1.5-2.0 μm，直徑約為130 nm。圖2a採用了X射線粉末衍射測試，測試表明試驗所得樣品結晶程度較高，為Pr(OH)3材料；圖2b採用了電化學方法中的循環伏安法測試來研究其超電容性能，通過循環伏安曲線可以看出，其曲線展現出非常好的可逆性，曲線圍成的圖形近似矩形。通過計算得出，該樣品比面積電容值為0.16mF/cm2，這是在現有文獻當中首次報導Pr(OH)3材料的電容特性。由此判斷，這種一維Pr(OH)3納米棒材料展現出一定的超電容性能，在儲能方面的應用有很大的前景。
實施例2~5
基於實施例1的方案，通過調控不同的反應條件，影響Pr(OH)3的生長，其關係如表1所示。
其中，實施例2和3說明溫度因素對材料製備影響較大，實施例4說明前驅體溶液的混合比例因素對材料製備有所影響，實施例5說明反應時間因素會制約材料生長長度。所述實施例2~5均能製備出Pr(OH)3材料，但相對來說形貌較差，比表面積較小，反應活性位點少，超電容性能不及實施例1。
表1. Pr(OH)3納米棒的生長調控