[發明專利]水滑石/碳納米管/鎳多級結構薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410174751.5
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103985560A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 雷曉東;王博;蔣美紅;閔銳;孫曉明
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/26;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 何俊玲

技術領域

本發明涉及一種多級結構薄膜及其制備方法和應用，具體涉及水滑石/碳納米管/鎳三維多級結構薄膜材料及其制備方法和應用。

背景技術

環境污染和化石能源的消耗使得人們對于清潔、可再生的清潔能源提出了迫切的渴望，例如太陽能、風能、電能等。近些年以來，超級電容器因其較高的功率密度、較長的使用壽命以及較優能量密度和功率密度等優點而受到世界的關注。因此超級電容器是目前最具應用前景的電化學儲能技術之一。提高能量密度和功率密度,發展具有高比表面積、電導率和結構穩定性的電極材料是超級電容器的研究關鍵。如今超級電容器電極材料研究比較成熟的大致可以分為雙電層電容材料和贗電容材料兩大類。碳材料是雙電層電容器典型代表，有良好的穩定性，較高的功率密度，但其功率密度較低。所以目前大部分的研究集中在高能量密度的贗電容材料。贗電容材料一般分為金屬氧化物和導電聚合物。其電容主要源于充電/離子存儲在電極/電解液界面/離子轉移，其受電極材料的比表面積，孔隙率的影響[J.Power?Sources2006,157,11]。RuO₂是一種性能優異的贗電容材料，但由于其昂貴的價格限制了其應用。過渡金屬Fe、Co、Ni、Mn等元素具有贗電容性能，又廉價易得等優點，目前包含Fe、Co、Ni、Mn等元素的水滑石作為電極材料已被廣泛報導。谷等人[J.Mater.Chem.A,2013,1,10655]將泡沫鎳片放置于硝酸鎳與硫酸鈦混合溶液中，通過控制pH、反應溫度、時間等反應條件，在泡沫鎳片上原位生長鎳鈦水滑石薄膜，將此薄膜材料用作超級電容器的電極，在5mA?cm^-2電流密度下達到10.37F?cm^-2。

碳納米管由于孔徑分布合理、表面積利用率高、導電性好和穩定性高等優點，也被認為非常適合做電容器電極材料。而水滑石和碳納米管的組裝體因其具有更大的比表面積、更好的電導性以及豐富的孔道結構使得具有更加優異的性能。

目前已有水滑石和碳納米管材料組裝方法的報道，杜等人[Nanotechnology2010，21，315603]通過在水熱系統中原位加入碳納米管，獲得了水滑石包裹碳納米管的結構，并應用到阻燃材料當中；白等人[Materials?Letters2011，65，2330]成功將鋅鋁水滑石和聚丙烯酸表面功能化的多壁碳納米管組裝成一種新穎的材料，并將其用作氧化鄰苯二酚反應的催化劑。但該方法是在水熱反應過程中，形成的水滑石在碳納米管的表面成核，最終形成了水滑石和碳納米管復合結構的粉體材料，如果將此粉體材料用作電極，需要用粘合劑或壓制法將粉體固定到導電基底上，操作方法復雜，且粉體容易脫落。

因此，開發一種直接合成三維多級結構的水滑石和碳納米管到導電基底上的方法具有重要的意義。

發明內容：

本發明的目的是提供一種水滑石/碳納米管/鎳三維多級結構薄膜材料及其制備方法，并將該薄膜用作超電容材料。

本發明采用原位生長的方法在泡沫鎳基底上先合成鎳鋁水滑石薄膜材料，再在其表面生長多壁碳納米管，從而獲得多壁碳納米管膜/泡沫鎳，經親水化處理后，再采用水熱原位生長法，獲得鎳鋁水滑石/多壁碳納米管/泡沫鎳三維多級結構薄膜材料。該材料具有優良的超電容性能，可以用作超級電容器的正極材料。

水滑石/碳納米管/鎳三維多級結構薄膜材料，具體制備步驟如下：

A.將泡沫鎳基鎳鋁水滑石(LDH)薄膜基片放入馬弗爐中，以5-10℃/min升溫速率升溫至300-500℃，并保持60-180min，使基片上的鎳鋁水滑石薄膜轉變為復合氧化物薄膜；

所述的泡沫鎳基鎳鋁水滑石薄膜是一種在泡沫鎳基片上生長的鎳鋁水滑石薄膜；其制備方法見申請號為201110122159.7的發明專利。

B.將步驟A得到的復合氧化物薄膜片平放于瓷舟中，放入管式加熱爐中，先通入流速為60-120mL/min的氮氣或氬氣，以2-10℃/min的速率升溫至600-900℃，再通入流速為4-16mL/min的乙炔氣體反應30-240min，反應結束后冷卻至室溫。反應過程中由于高溫的作用泡沫鎳上的復合氧化物薄膜在生長碳納米管時破裂，因而得到多壁碳納米管/泡沫鎳薄膜；