[發(fā)明專利]基于三維石墨烯/氫氧化鎳復(fù)合電極材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610178040.4
• 申請(qǐng)日: 2016-03-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105845463B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東;寧?kù)o;張進(jìn)成;陸芹;穆美珊;郝躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/86
• 分類號(hào): H01G11/86
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心61205
• 代理人: 田文英,王品華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及材料科學(xué)和電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于三維石墨烯/氫氧化鎳復(fù)合電極材料的制備方法。本發(fā)明制備得到的復(fù)合電極材料可用于超級(jí)電容和電池的復(fù)合電極。

背景技術(shù)

超級(jí)電容，是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種儲(chǔ)能元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。超級(jí)電容器的電極材料有碳基電極材料、金屬氧化物電極材料和導(dǎo)電聚合物電極材料。

石墨烯是一種單層碳原子經(jīng)過(guò)sp²雜化緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶格碳基新材料，厚度僅有0.335nm，由于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，石墨烯成為了極具潛力的儲(chǔ)能材料，在超級(jí)電容器電極材料方面獲得廣泛應(yīng)用。氫氧化鎳(Ni(OH)₂)由于具有高的理論電容量及低的造價(jià)，被廣泛的應(yīng)用于超級(jí)電容及電池等儲(chǔ)能器件中。

東華大學(xué)申請(qǐng)的專利“超級(jí)電容器電極材料氫氧化鎳和石墨烯復(fù)合物的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?01310007891.9，公布號(hào)CN 103107022 A)公開(kāi)了一種超級(jí)電容器電極材料氫氧化鎳和石墨烯復(fù)合物的制備方法。該方法的具體步驟為：(1)將六水合硝酸鎳(Ni(NO₃)₂·6H₂O)和溶劑混合，攪拌，得混合溶液；(2)向上述溶液中加入聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物水溶液，并加入石墨烯水溶液，然后加熱至回流，并逐滴加入氨水，反應(yīng)2-24h，離心、洗滌、干燥，得到氫氧化鎳和石墨烯復(fù)合物。該制備方法簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，低成本，適于大規(guī)模生產(chǎn)。但是，該方法仍然存在的不足之處是：該方法制備得到的Ni(OH)₂與石墨烯復(fù)合物電極材料為片狀堆積結(jié)構(gòu)，比表面積不高，影響材料的電極性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提出一種以三維石墨烯、氫氧化鎳為主要原料制備基于三維石墨烯/氫氧化鎳的復(fù)合電極材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體思路是：首先，采用化學(xué)氣相沉積方法，在三維泡沫銅鎳合金生上長(zhǎng)石墨烯；然后去除銅鎳合金，制備得到具有多通道孔的自支撐的三維石墨烯；最后，將三維石墨烯浸入氯化鎳和尿素的混合溶液中，在三維石墨烯上生長(zhǎng)氫氧化鎳，制備得到三維石墨烯/氫氧化鎳復(fù)合電極。

本發(fā)明的具體步驟如下：

(1)基底預(yù)處理：

(1a)利用壓平機(jī)將厚度為1.6mm的泡沫鎳壓薄，得到厚度為0.25mm的泡沫鎳薄片；

(1b)用乙醇、去離子水、5M HCl溶液清洗泡沫鎳薄片后，用去離子水將泡沫鎳薄片清洗干凈，得到清洗后的泡沫鎳薄片；

(2)電化學(xué)沉積銅：

采用電化學(xué)三電極法，將清洗后的泡沫鎳薄片置于CuSO₄·5H₂O和HBO₃的混合溶液中，加電化學(xué)沉積電壓，沉積50～150分鐘，得到覆蓋銅的泡沫鎳薄片；

(3)高溫退火：

將覆蓋銅的泡沫鎳薄片置于化學(xué)氣相沉積CVD管式爐的恒溫區(qū)中，通入5sccm氬氣和1sccm氫氣，進(jìn)行1100℃的高溫退火0.5～2小時(shí)，得到銅鎳合金；

(4)電化學(xué)選擇性腐蝕：

采用電化學(xué)三電極法，將銅鎳合金置于CuSO₄·5H₂O和HBO₃的混合溶液中，加腐蝕電壓，腐蝕三維銅鎳合金骨架500～1500秒，制備得到具有多通道孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維銅鎳合金骨架；

(5)制備三維石墨烯/銅鎳合金：

(5a)采用化學(xué)氣相沉積法，將三維銅鎳合金骨架置于化學(xué)氣相沉積CVD系統(tǒng)管式爐的恒溫區(qū)內(nèi)，通入20sccm氬氣和氫氣的混合氣體5～10分鐘；

(5b)將管式爐加熱至600℃時(shí)，通入2～20sccm乙烯，保持氣氛不變，生長(zhǎng)5～10個(gè)小時(shí)；

(5c)采用迅速降溫的方式，將管式爐溫度降為室溫后，取出管式爐中的樣品，得到三維石墨烯/銅鎳合金；

(6)制備自支撐三維石墨烯：

將三維石墨烯/銅鎳合金置于0.5～2M氯化鐵和1～3M鹽酸的混合溶液中，腐蝕24小時(shí)，得到自支撐三維石墨烯；

(7)生長(zhǎng)氫氧化鎳：

(7a)將自支撐三維石墨烯用去離子水沖洗干凈，得到三維石墨烯；

(7b)將三維石墨烯浸泡在4M硝酸溶液中兩小時(shí)，取出后用去離子水清洗干凈，得到清洗后的三維石墨烯；