[发明专利]一种一维形貌钴铝水滑石及其制备方法和电化学应用

说明书

技术领域：

本发明涉及一种一维形貌钴铝水滑石及其制备方法和在超级电容器正极材料中的电化学应用，属于无机功能材料领域。

背景技术：

类水滑石是一类典型的阴离子插层材料，因其主体层板由二价和三价金属离子复合构成，因此又称作层状复合金属氢氧化物(Layered double hydroxides，简称LDHs)，其化学组成为：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+A^n－_x/n·mH₂O。其中M²⁺，M³⁺分别代表二价和三价金属离子，x为三价金属离子所占摩尔分数；A^n－代表层间阴离子；m为层间结晶水数量。LDHs晶体由带正电荷的类水镁石主体层板([M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+)和层间水合客体阴离子(A^n－_x/n·mH₂O)交替堆积而成。LDHs的主体层板由共价键连接而成，层板与层间客体阴离子之间通过氢键、静电作用、范德华力等相结合，形成有序排列。LDHs的性质取决于主体层板金属元素的种类和比例、层间客体阴离子的种类和数量，以及层板的堆积方式，三者的不同组合形成了一个庞大的具有相似结构，不同物理化学性质的LDHs材料家族。主体层板金属元素种类和比例的可调变性和层间客体阴离子的可交换性是LDHs材料的基本特征。LDHs的这一结构特征使该材料的性质具有可设计性，在催化、吸附、高分子加工(作为添加剂)、医药、环保、电化学、光化学等诸多领域显示出良好的应用前景，并已经在催化、高分子加工、医药等领域获得了实际应用。

自1987年LDHs被首次制成电极(Itaya K,Chang H C,Uchida I.Anion-exchanged hydrotalcite-like-clay-modified electrodes.Inorg.Chem.,1987,26:624)，2002年LDHs首次被用作超级电容器电极材料(Wohlfahrt-Mehrens M,Schenk J,Wilde P M,etc.New materials for supercapacitors.J.Power Sources.,2002,105(2):182)，一系列具有电化学活性的LDHs被成功合成。其中，含镍、钴的过渡金属基LDHs引起了人们的广泛兴趣。镍基LDHs可用作镍氢电池的正极材料；钴基LDHs则是潜在的超级电容器电极材料。

超级电容器是一种性能介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。超级电容器利用电极表面形成的双电层或发生二维/准二维法拉第反应来存贮能量，具有比功率高、充放电速度快、循环寿命长等优点。优良的脉冲放电性能和大容量储能性能使其在电信、电动汽车和航空航天等领域具有广泛应用。Co(OH)₂因其良好的氧化还原特性且资源相对丰富，作为潜在的高性能电容器材料一直受到广泛研究。最新研究表明，用Al同晶取代Co(OH)₂中的部分Co，形成与Co(OH)₂具有相似层状结构的CoAl-LDHs,不仅可以提高比电容和比表面积，还能增加材料的稳定性，从而减缓比电容随电流密度的衰减，改善电容器的功率特性。钴基LDHs作为潜在的高性能超级电容器材料显示出非常好的应用前景。

尽管自上个世纪90年代以来，LDHs的制备方法得到了迅猛发展，在最初的共沉淀法基础上先后出现了离子交换法、基于“记忆效应”的焙烧重构法等，并借助于这些方法成功合成了大量由不同主体层板和功能客体组成的LDHs材料，但是，从大量文献报道来看，重组成设计不重形貌控制，绝大多数LDHs合成产物为不规则片状或六边形片状微晶粉体。然而，不同应用领域对LDHs材料的性质和形貌有着不同的要求。LDHs仅能在层板方向上导电，而在垂直于层板方向上并不导电。六边形片状LDHs微晶无规堆积必然导致微晶与微晶之间导电性能较差。层板方向大尺度的一维形貌LHDs(纤维状、棒状、条状、晶须等)显然是解决这一问题的有效途径。一维形貌LDHs不仅在层板方向上保持较大尺度的连续性，可以解决片状LDHs微晶之间无规搭接造成导电性能差的问题，还具有堆密度小、分散均匀等优点。