[发明专利]一种氧化镍/碳小球复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种介孔碳基氧化镍复合材料的制备方法。

背景技术

介孔碳材料因其规则有序的孔道结构和较大的孔容量以及良好的导电性能被广泛用于超级电容器和电池的电极材料。但是其作为超级电容器电极材料有一个主要缺点—能量密度低。如何提高其能量密度已成为人们研究的热点之一。

根据能量公式E=1/2CV²可知，提高电极材料的电容性能可有效提高其能量密度。氧化镍由于良好的电化学氧化还原活性，高理论比电容值以及较低的成本，作为赝电容材料取得很大的关注。但是由于其工作电压低，导电性差，实际性能并不理想。

研究表明，碳材料与金属氧化物复合所得的复合材料既具有良好的导电性又具有较高的比电容性能。如若碳材料和氧化镍复合在一起，即可解决碳材料能量密度低的问题，也可解决氧化镍导电性差、稳定性差的缺点，二者协同作用可以表现出更好的电化学性能。因此，多孔碳与氧化镍的复合被越来越多的研究者关注，期望得到成本低廉性能优异的复合材料。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种工艺简单、成本低廉、具有更好的电化学性能的氧化镍/碳小球复合材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将有序介孔碳小球在NaOH水溶液中进行碱回流处理，取得碱处理的碳小球；

2）将碱处理的碳小球置于镍盐溶液中，经过水热反应，取得氢氧化镍/碳小球复合材料前驱体；

3）将氢氧化镍/碳小球复合材料前驱体在惰性气氛下煅烧，即得氧化镍/碳小球复合材料。

本发明在步骤1）中选用的载体为有序介孔碳小球，经过在NaOH水溶液中进行碱回流处理，取得碱处理碳小球；在步骤2）中，经过水热反应，利用金属离子水解在碳小球表面负载氢氧化镍；经过步骤3）的惰性气氛下煅烧后，得到氧化镍/碳小球复合材料。

本发明工艺简单、合理，方便生产，制备所得氧化镍/碳小球复合材料呈核壳结构，粒径为90-120nm，氧化镍均匀地负载在碳小球表面，沉积的氧化镍厚度为10～20nm。氧化镍/碳小球复合材料中的介孔碳小球的可以提高复合材料的比表面积和导电性，而氧化镍可以为复合材料提供高的比电容值，二者发挥协同作用使得复合材料具有更好的电化学性能，在超级电容器方面有广阔的应用前景。

进一步地，步骤1）中，将有序介孔碳小球均匀分散于NaOH水溶液中，然后在150℃的条件下磁力搅拌回流24小时后冷却至室温，再经离心，取沉淀物用乙醇和去离子水清洗，取得碱处理的碳小球。如碱处理时间超过24小时，则会使最终产物相互重叠，形成交联，导致样品的分散性变差。

用于分散有序介孔碳小球的NaOH水溶液浓度为6 M。用6 M NaOH主要是为了提供足够的-OH，使碳小球表面修饰一层-OH。

分散有序介孔碳小球时，先采用磁力搅拌，再采用超声。首先采用磁力搅拌促进碳小球在溶液中分布均匀，不会造成溶液溶度梯度；然后超声分散可使本身交联在一起的碳小球彻底分散开，提高碳小球的单分散性。

在步骤2）中，将碱处理的碳小球均匀分散于NiCl₂水溶液中，经180℃条件下进行水热反应后，冷却至室温，经离心，取沉淀物用乙醇和去离子水清洗，再将沉淀物在80℃真空条件下干燥，即得氢氧化镍/碳小球复合材料前驱体。本发明步骤采用水热反应，操作简单，反应过程易于控制，且得到的材料晶型较好。得到的物质在80℃真空干燥，干燥比较彻底，可将非结晶水完全除去。

干燥后的产物性质稳定，易于保存和测试。

分散碱处理的碳小球时，先采用磁力搅拌，再采用超声。首先采用磁力搅拌促进碳小球在溶液中分布均匀，不会造成溶液溶度梯度；然后超声分散可使交联在一起的碳小球彻底分散开，提高碳小球的单分散性。

用于分散所述碱处理的碳小球的NiCl₂水溶液的浓度为0.1～0.2 M。在该浓度下，Ni²⁺基本负载在碳小球表面，且自身不容易产生团聚。

另外，碱处理的碳小球与镍盐溶液的投料比为0.075g：20mL。在此投料比下氧化镍可以全部均匀的负载在碳小球表面，得到核壳结构的氧化镍/碳小球复合材料，样品不会发生交联，单分散性较好。