一種以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料的製備方法與流程
2023-10-28 14:26:12
本發明屬於超級電容器電極材料的製備領域，特別涉及一種以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料的製備方法。
背景技術：
近年來，超級電容器逐漸成為下一代能源裝置中最具潛力的候選儲能設備，因為它具有高功率密度、快充放電速度、長使用壽命以及高操作安全性，能夠滿足時代發展所需求的現代電子設備和能源系統。根據電荷存儲機理，超級電容器可以大致分為兩類，即雙電層電容器和贗電容電容器，雙電層電容器電極材料常常使用的是碳基材料，而贗電容點額容器常常使用具有氧化還原反應的材料。目前，對於贗電容超級電容器的研究主要集中在發展具有商用前景的過渡金屬氧化物，因為這些氧化物具有豐富度高、價格低廉、環境友好的特點，特別是能為氧化還原電荷有效地轉移提供多種電荷價態，因而獲得更高的能量密度和高理論比電容值。加入導電聚合物複合則可以增加比電容，採用導電聚合物的超級電容器的工作原理也是產生準法拉第電容，此電化學反應不僅僅發生在材料的表面，主要發生在材料的三維立體結構中，從而使導電聚合物電極能夠存儲高密度的電荷，產生大的準法拉第電容。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料的製備方法，本發明製備方法簡單，所製備的以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺複合材料中聚苯胺和氧化鎳分布均勻，形成多孔結構，電化學性能良好，優於純聚苯胺與純氧化鎳。本發明的一種以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料的製備方法，包括：(1)在室溫條件下，將質量比為1:1～10:1的苯胺單體與摻雜劑混合於去離子水中，冰水浴條件下，攪拌，得到溶液A；引發劑溶於去離子水中，冰水浴條件下，攪拌，得到溶液B；(2)將溶液B滴加入溶液A中，攪拌得到混合液，然後將泡沫鎳浸入混合溶液中，靜置，得到生長有聚苯胺的泡沫鎳；(3)配製NiO前軀體溶液，用循環伏安法在生長有聚苯胺的泡沫鎳表面電化學沉積NiO，得到以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料。所述步驟(1)中摻雜劑為丙烯酸；引發劑為過硫酸銨，溶液B中引發劑的濃度為0.1～1g/mL。所述步驟(1)中冰水浴條件下，攪拌1-2h，得到溶液A；攪拌15-30min，得到溶液B。所述步驟(2)中溶液A和溶液B的體積比為2-5:1；攪拌20-30s得到混合溶液。所述步驟(2)中泡沫鎳為預處理後的泡沫鎳，預處理具體為：先用乙醇與去離子水交替清洗，再用鹽酸清洗、超聲，然後用乙醇與去離子水再次交替清洗，真空乾燥。所述鹽酸濃度為1～6mol/L，超聲時間為1～8h；真空乾燥溫度為40-70℃，乾燥時間為4-8h。所述步驟(2)中靜置時間為12-48h。所述步驟(3)中NiO前軀體溶液為硝酸鎳溶液，濃度為0.1M-1M。所述步驟(3)中循環伏安法的具體參數為：用鉑電極做對電極、Ag/AgCl電極做參比電極，掃描速率為1～50mV/s，循環次數為10～100次。本發明製備方法，使用多孔的泡沫鎳基底作為集流體大大增加了比表面積。採用丙烯酸作為摻雜劑、過硫酸銨作為引發劑製得的均勻緻密的聚苯胺中間層，導電性好且有利於比電容的提升。用循環伏安法電化沉積NiO作為活性層，與聚苯胺形成多孔結構，所得電極電化學性能得到了顯著提升。本發明製備方法：(1)對多孔的泡沫鎳進行預處理，作為電極的集流體；(2)用導電高分子聚苯胺作為電極中間層，在泡沫鎳基底上原位生長聚苯胺納米棒；(3)在(2)的基礎上電化學沉積氧化鎳納米片活性層，得到一種具有高比表面積、高活性的超級電容器電極材料有益效果(1)本發明的製備方法簡單，對生產設備要求低；(2)所製備的氧化鎳/聚苯胺複合材料電極具有大的比表面積與多孔結構，電化學性能良好，比電容達到418F/g，優於純聚苯胺與純氧化鎳。附圖說明圖1為實施例1合成氧化鎳/聚苯胺複合材料的掃描電鏡照片，其中(a)為10000倍放大的SEM照片，(b)為20000倍放大的SEM照片；圖2為實施例1合成氧化鎳/聚苯胺複合材料電極的循環伏安曲線；圖3為實施例1合成氧化鎳/聚苯胺複合材料電極的充放電曲線；圖4為實施例1合成氧化鎳/聚苯胺複合材料電極與純氧化鎳電極的比電容曲線。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。實施例1將泡沫鎳剪裁成長4cm寬1cm的薄片，使用乙醇與去離子水交替衝洗3次，放入6mol/L的鹽酸溶液中超聲2h後取出，再用乙醇與去離子水交替衝洗三次後，放入真空烘箱中在60℃的溫度下乾燥4h。將2g聚苯胺與1.5g丙烯酸分散於150mL的去離子水中，冰水浴攪拌2h，得到A液。將6.5g過硫酸銨溶於50mL的去離子水中，冰水浴攪拌30min，得到B液。將B液緩慢滴加到A液中，攪拌30s得到混合液。將經過預處理的泡沫鎳薄片浸入混合液中靜置24h，得到原位聚合的聚苯胺。稱取5.82g的硝酸鎳溶於200mL去離子水中，配製0.1M的硝酸鎳溶液作為NiO的前驅體溶液。採用循環伏安法，以鉑電極作為對電極、Ag/AgCl電極作為參比電極，設置電壓範圍為0～-1.2V，掃描速率為50mV/s，經過40個循環在生長有聚苯胺的泡沫鎳上電化學沉積NiO。得到以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料。掃面電鏡觀察表明：聚苯胺與氧化鎳分布均勻，形成多孔結構。循環伏安曲線表明：此複合材料電極的比電容高於純NiO電極的比電容。由充放電曲線計算得到：此複合材料電極的比電容在1mV/s的掃描速率下達到418F/g。實施例2將泡沫鎳剪裁成長4cm寬1cm的薄片，使用乙醇與去離子水交替衝洗3次，放入5mol/L的鹽酸溶液中超聲3h後取出，再用乙醇與去離子水交替衝洗三次後，放入真空烘箱中在60℃的溫度下乾燥5h。將2g聚苯胺與2g丙烯酸分散於150mL的去離子水中，冰水浴攪拌2h，得到A液。將5g過硫酸銨溶於50mL的去離子水中，冰水浴攪拌30min，得到B液。將B液緩慢滴加到A液中，攪拌30s得到混合液。將經過預處理的泡沫鎳薄片浸入混合液中靜置24h，得到原位聚合的聚苯胺中間層。稱取8.72g的硝酸鎳溶於200mL去離子水中，配製0.15M的硝酸鎳溶液作為NiO的前驅體溶液。採用循環伏安法，以鉑電極作為對電極、Ag/AgCl電極作為參比電極，設置電壓範圍為0～-1.2V，掃描速率為20mV/s，經過30個循環在生長有聚苯胺的泡沫鎳上電化學沉積NiO。得到以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料。掃面電鏡觀察表明：聚苯胺與氧化鎳分布均勻，形成多孔結構。循環伏安曲線表明：此複合材料電極的比電容高於純NiO電極的比電容。由充放電曲線計算得到：此複合材料電極的比電容在1mV/s的掃描速率下達到398F/g。實施例3將泡沫鎳剪裁成長4cm寬1cm的薄片，使用乙醇與去離子水交替衝洗3次，放入4mol/L的鹽酸溶液中超聲4h後取出，再用乙醇與去離子水交替衝洗三次後，放入真空烘箱中在60℃的溫度下乾燥6h。將2g聚苯胺與1g丙烯酸分散於150mL的去離子水中，冰水浴攪拌2h，得到A液。將8g過硫酸銨溶於50mL的去離子水中，冰水浴攪拌30min，得到B液。將B液緩慢滴加到A液中，攪拌30s得到混合液。將經過預處理的泡沫鎳薄片浸入混合液中靜置24h，得到原位聚合的聚苯胺中間層。稱取11.63g的硝酸鎳溶於200mL去離子水中，配製0.2M的硝酸鎳溶液作為NiO的前驅體溶液。採用循環伏安法，以鉑電極作為對電極、Ag/AgCl電極作為參比電極，設置電壓範圍為0～-1.2V，掃描速率為10mV/s，經過20個循環在生長有聚苯胺的泡沫鎳上電化學沉積NiO。得到以泡沫鎳為基底的氧化鎳/聚苯胺超級電容器電極材料。掃面電鏡觀察表明：聚苯胺與氧化鎳分布均勻，形成多孔結構。循環伏安曲線表明：此複合材料電極的比電容高於純NiO電極的比電容。由充放電曲線計算得到：此複合材料電極的比電容在1mV/s的掃描速率下達到409F/g。