[發明專利]超級電容用石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料的電化學制備方法

有效

• 申請號: 201110425506.3
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102509640A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 李在均;牛玉蓮;顧志國;鄭佳;金鑫
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種超級電容用石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料的電化學制備方法，屬于電容制備技術領域。

背景技術

超級電容器作為一種新型儲能器件，集高能量密度、高功率密度、充電速度快，循環壽命長等特點于一身，在國防、鐵路、電動汽車電子、通訊、航空航天等領域具有廣泛應用前景。根據儲能機理的不用，可以把超級電容器分為雙電層電容器及法拉第準電容器。前者利用電子、離子或偶極子在電極/溶液表面的定向排列所產生的雙電層來儲存電荷，后者則是通過電化學活性物質在電極表面或體相的準二維空間內發生化學吸附、脫附或氧化還原反應引起的法拉第準電容。在相同的體積或重量的情況下，法拉第準電容比電容量往往是雙電層電容比電容量的10～100倍以上(陳英放，李媛媛，鄧梅根.電子元件與材料，2008，27(4)：6-9)。因此，電極材料的性能直接決定電容器的儲能品質。目前，應用于超級電容器的材料主要有碳基材料(活性炭、碳納米管、炭氣凝膠、石墨烯)、過渡金屬氧化物或氫氧化物和導電聚合物(聚苯胺)。不同材料都存在各自的優缺點，如碳基材料具有極大的比表面積、極小的雙電層間距及高循環壽命，但放電容量較低。導電聚合物價格低廉，但熱穩定性、化學穩定性和可循環性較差，在一定程度上限制了其應用。過渡金屬氧化物或氫氧化物具有導電性好、比容量大的優點，但循環穩定性及價格不夠理想。因此，將不同屬性材料進行復合，開發一種兼具高的電容量、穩定性、循環性的超級電容器電極材料是非常必要。

雙金屬氫氧化物是一類結構高度有序、且有多種優異功能的材料，其間離子鍵、共價鍵、氫鍵、靜電力及其范德華力相互作用。由于水滑石特殊的層狀結構、層間陰離子多樣性和可調性，為此類材料迅速發展提供了廣闊空間，可作為新型高性能超級電容(張方，原長洲，張校剛，章羅江，徐科，物理化學學報，2010，26(12)：3175-3180)。鎳鋁雙金屬氫氧化物原料來源廣泛、價格低廉，已受到國內外學者的廣泛重視。研究表明，鎳鋁雙金屬氫氧化物作為超級電容的電極材料可得到非常高的容量和循環穩定性(Jun?Wang，Yanchao?Song，Zhanshuang?Li，Qi?Liu，Jideng?Zhou，Xiaoyan?Jing，Milin?Zhang，Zhaohua?Jiang，Energy?Fuels，2010，24：6463-6467)。然而，鎳鋁雙金屬氫氧化物本身的傳導性和結構穩定性仍存在缺陷，還不能應用于大功率電容。

石墨烯是單層碳原子緊密堆積形成的六方蜂巢狀晶格結構的晶體，它獨特的二維結構使其具有優異的電學、熱學、力學及化學性質(陶麗華，蔡燕，李在均，任國曉，劉俊康，無機材料學報，2011，26(9)：912-916)。最近，陳金華等將石墨烯引入鎳鋁雙金屬氫氧化物制備出石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料并用于超級電容，其電容量及循環穩定性獲得明顯改善(Zan?Gao，Jun?Wang，Zhanshuang?Li，Wanlu?Yang，Bin?Wang，Mengjie?Hou，Yang?He，Qi?Liu，Tom?Mann，Piaoping?Yang，Milin?Zhang，Lianhe?Liu，Chemistry?of?Materials，2011，23：3509-3516)。現有的石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料的制備方法是：以水合肼等作為強還原劑先將氧化石墨烯還原成石墨烯，再與鎳和鋁鹽前驅體混合以尿素為堿源水熱法制備石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料。然而，這種化學合成的方法存在三個方面不足。(1)氧化石墨烯的還原過程中不僅使用大量有毒化學試劑水合肼造成對人體健康危害和環境污染，而且石墨烯納米片發生了嚴重團聚使材料的比表面大幅度降低。(2)水熱法合成的鎳鋁雙金屬氫氧化物粒徑較大，同時伴隨著大量廢水放出，對工業化生產極為不利。(3)所制得的復合材料分散性差，從而導致電容量低。因此建立綠色、高效、可控的超級電容用石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料的電化學制備方法勢在必行。

發明內容

本發明針對現有的石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料存在的環境污染嚴重、石墨烯團聚嚴重、雙金屬氫氧化物粒徑大、復合材料分散性差的不足等缺點，提供一種新的石墨烯/雙金屬氫氧化物復合材料的電化學制備方法。其顯著地改善了石墨烯/雙金屬氫氧化物復合材料的傳導性、分散性、穩定性和可控性，綠色環保，不會造成環境污染。

按照本發明提供的技術方案，一種超級電容用石墨烯/鎳鋁雙金屬氫氧化物復合材料的電化學制備方法，按重量份計步驟為：