[发明专利]一种镍基碱式碳酸镍薄膜材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能材料制备技术领域，具体来说，涉及一种镍基碱式碳酸镍薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器，由于其使用寿命长、维护费用低、温度特性好、充电时间短以及节能高效等优良特性，使得它在当今世界对于高效环保储能材料的热切需求中占据有力地位。电容器，从储能机理上划分可以分为双电层电容器和赝电容电容器。双电层电容器由于依赖于传统的双电层储能机理限制了它的比容量（不超过250F/g）。而赝电容电容器的储能主要来自于发生赝电容氧化还原反应，这样电容量远高于前者，尤其是可以部分或全部替代汽车的牵引电源和启动能源。但是在电动车动力源中的电池-电容器混合系统中的大容量电容器所需要的钌材料非常昂贵，这也是限制超级电容器普及的一个非常关键因素。因此，降低成本，制备性价比高的超级电容器是目前超级电容器应当解决的首要问题。

电极材料作为超级电容器的重要组成部分，对性价比起着决定作用。在文献J.AM.CHEM.SOC.2010,132,7472-7477中，Wang等报道了在石墨烯薄片(GS)上生长β-Ni(OH)₂，在2.8A/g条件下达到1335F/g，45.7F/g达到953F/g，并且获得了十分优异的循环性能。在文献Chem.Commun.,2011,47,9651-9653中，Lu成功得在泡沫镍基底上生长β-Ni(OH)₂，在5mA/cm²下获得2675F/g的比电容值以及在500次循环后仍然保持96%的高循环稳定性。除了β-Ni(OH)₂，对于α-Ni(OH)₂的研究也取得了阶段性成果，由于α相金属氢氧化物由于晶型结构的特殊性，理论上可以获得更优良的电化学性能。在文献Chem.Commun.,2012,48,2773-2775中，Yang等成功在石墨烯材料上合成了球状α-Ni(OH)2，在5mV/s下比电容量达到1760.72F/g。

在对Ni(OH)₂做了大量研究以外，金属氧化物在超级电容器中也占有很重要的位置。大量文献也报道过NiO或者NiO与其他氧化物氢氧化物复合作为储能设备的电极材料。在文献Nano Lett.,2010,10,4099-4104中，Kim等成功合成NiO-TiO₂阵列，并且成功应用于超级电容器电极材料，在500mV/s的高扫描速率下只比在5mV/s下降低12%的电容量。在文献Chem.Mater.,2008,20,3360-3367中，Varghese在镍线圈上生长NiO阵列，并对其在锂离子电池中的性能进行测试，在1.25C下获得638mAh/g的容量。在文献Appl.Mater.Interfaces 2011,3,2063-2073中，Meher用微波法制备了多孔NiO，在2A/g条件下获得了370F/g的比电容。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基碱式碳酸镍薄膜材料及其制备方法，该材料可用作超电容以及电吸附的电极材料。

本发明所述的镍基碱式碳酸镍薄膜材料是以泡沫镍为基体，在基体表面原位生长碱式碳酸镍晶体，所述的碱式碳酸镍晶体的化学式为Ni₂(OH)₂CO₃·4H₂O；该镍基碱式碳酸镍薄膜晶型完整，粒径分布均一。

本发明所述的镍基碱式碳酸镍薄膜材料的制备方法是：将泡沫镍片放置于硝酸镍溶液中，通过调变碱溶液，并且控制pH，反应温度，反应时间，在泡沫镍片上原位生长碱式碳酸镍晶体。

本发明所述的镍基碱式碳酸镍薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：

1）取纯度大于90wt%的泡沫镍片为基体，用浓盐酸超声波清洗，然后分别用去离子水和无水乙醇超声清洗，烘干备用；

2）配制硝酸镍溶液；取NaOH与Na₂CO₃用去离子水配制成碱性溶液；将步骤1）中处理后的泡沫镍片放入硝酸镍溶液中，然后逐滴加入碱性溶液至pH值为8-10，于50-90℃下反应6-14h，取出泡沫镍片，使用去离子水超声波清洗，于50-100℃下干燥5-20h；