[发明专利]一种氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的生产技术领域。

背景技术

氢氧化镍由于良好的电化学氧化还原活性，高的理论比电容值且较低的成本，作为赝电容材料取得相当大的关注。但是由于其工作电压低，导电性差，实验结果并不理想。因此，在保持高的比表面积的前提下，通过改善电极材料组成结构及其在电极反应过程中的导电性能，提高活性物质的利用率来克服氢氧化镍超级电容器内在的缺陷是关键。目前，各种纳米结构的氢氧化镍材料被合成出来，比如纳米棒，纳米管，纳米花，纳米片，纳米球。其中，氢氧化镍纳米片不仅减少了电解质离子和电子传导的扩散，而且在快速充电/放电过程中最大化的利用了氢氧化镍的电化学性质。同时，碳材料特别是碳纳米管由于其高电导率，高比表面积一直以来被人们广泛应用于超级电容器电极材料。但是以高比表面积的碳材料作为电极的超级电容器与电池相比，在液态电解质溶液中能量密度仍比较低，所以一些由金属氧化物或氢氧化物与碳纳米管复合形成的新型材料被研发出来。

发明内容

本发明目的是提供一种在降低氢氧化镍材料颗粒之间接触电阻的同时，能提高氢氧化镍材料的反应面积的氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料。

本发明所述复合材料呈管状结构，外径为20～40nm，氢氧化镍均匀地沉积在碳纳米管表面以及碳纳米管网络结构之间，沉积的氢氧化镍粒径为40～60nm。

在降低氢氧化镍材料颗粒之间接触电阻的同时，本发明能表现出高表面积和良好导电特性，可提高氢氧化镍材料的反应面积，加快了氢氧化镍材料的反应速度。该复合材料电极在循环寿命的测试中显示出了很高的循环利用率，有很好的稳定性，在超级电容器方面有广阔的应用前景。

本发明的另一目的是提出以上复合材料的制备方法：以氨水作为沉淀剂，以纯化的多壁碳纳米管作为氢氧化镍的载体，经熟化、洗涤后，取沉淀物再真空干燥、研磨，取得浅绿色粉末，即氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料。

本发明采用去除无定形碳和催化剂颗粒的纯化的多壁碳纳米管，通过简单、低成本的化学共沉淀方法使氢氧化镍均匀地沉积在碳纳米管表面以及碳纳米管网络结构之间。

本发明的优势在于：

1、以氨水作为沉淀剂，多壁碳纳米管作为氢氧化镍的载体，可得到稳定的氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料。与现有的氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料合成途径相比，节约了制备用的试剂，简化了生产步骤。

2、该方法原料料易得，产物重现性高。

3、得到的氢氧化镍/多壁碳纳米管复合材料稳定性高，在循环寿命的测试中显示出了很高的循环利用率，该复合材料有很好的稳定性，在超级电容器方面有广阔的应用前景。

纯化多壁碳纳米管的方法是：将多壁碳纳米管（MWNTs）分散于HNO₃水溶液中，在混合体系的温度为120℃的条件下磁力搅拌回流后，经离心后得到沉淀物，再经离心洗涤至洗涤液无色，然后取下层沉淀真空干燥得纯化的多壁碳纳米管。此方法可有效去除生产过程中的无定形碳和催化剂颗粒，以利于后续反应。

用于分散所述多壁碳纳米管（MWNTs）的HNO₃水溶液的浓度为2.6 M，分散时采用磁力搅拌。硝酸的浓度越大，其反应速度也越大，单位时间内碳纳米管的失重率也较大，实际上在过量的硝酸液中，经过足够的时间，杂质都能被除去，当硝酸浓度过大时，由于反应速度过快，使初始反应过于剧烈，在反应器中产生较多棕红色NO₂气体，因此本发明选定硝酸的浓度为2.6 M 以使反应过程更为缓和。采用磁力搅拌促进溶液反应充分，不会造成溶液溶度梯度。

在制备纯化的多壁碳纳米管时，离心洗涤时采用去离子水和乙醇。产物通过去离子水和乙醇进行洗涤，除去杂质与有机物。

先将纯化的多壁碳纳米管分散于NiCl₂水溶液中，形成混合溶液，在磁力搅拌下，再向混合溶液中加入氨水溶液至混合体系的pH值为9，然后将悬浊液进行熟化。采用磁力搅拌促进溶液反应充分，不会造成溶液溶度梯度。混合体系的pH值为9，易于碳纳米管在混合体系中得到充分分散。

用于分散所述纯化的多壁碳纳米管的NiCl₂水溶液中的NiCl₂浓度为0.5 M ，所述纯化的多壁碳纳米管与NiCl₂水溶液的投料比为0.03g～0.05g︰25mL。在该浓度下，氢氧化镍在成核过程中，自身不容易产生团聚。

采用该投料比使形成的复合材料形貌较好，分布均一，不容易相互缠绕，产生交联。