[发明专利]一种掺杂氧化铈电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种掺杂氧化铈电极及其制备方法和应用；属于电化学技术领域。本发明所设计的掺杂氧化铈电极包括集流体和附着于集流体上的电化学活性层；所述电化学活性层包含二氧化铈和掺杂金属元素；所述电极中不含粘结剂；所述掺杂金属元素为过渡金属元素；所述过渡金属元素以3价的形式均匀分布于电化学活性层内。其制备方法为：通过电化学阳极氧化法将三价铈离子和掺杂金属离子氧化为高价并转化为金属氧化物沉积于集流体上，然后经热处理，得到所述掺杂氧化铈电极。本发明所设计和制备的电极能很好用于超级电容器上。本发明电极成分设计合理，制备工艺简单、环保，便于大规模的工业化应用。所得电极在中性碱性溶液中具有良好的电容性能。

技术领域

本发明涉及一种掺杂氧化铈电极及其制备方法和应用，具体涉及一种掺杂氧化铈电极及其制备方法和其在超级电容器中应用；属于电化学技术领域。

技术背景

超级电容器因其大功率性能好和循环寿命长受到广泛重视。与电池相比，超级电容器所面临的主要问题是能量密度比较低。为了提高超级电容器的性能，即在提高比能量的同时保持其大比功率等优势，人们围绕具有法拉第赝电容行为的各种过渡金属氧化物电极开展了广泛的研究。为了寻求廉价的超级电容器电极材料，人们对NiO、Co₃O₄、MnO₂等过渡金属氧化物材料的制备和电化学性能开展了大量的研究，对氧化铈电极的研究较少。部分制备氧化铈电极的研究主要是将硝酸铈溶液进行热水处理先合成二氧化铈粉体材料，再将这些粉体材料与粘结剂混合后涂附于集流体上制备电极，这就容易造成电极活性物质与集流体之间接触不良而影响电极的充放电性能。同时，由于制备电极时需要加入大量非电活性物质作为粘结剂，影响电极的比能量。此外该水热工艺也可能释放氮氧化物等有害气体而影响环境。

发明内容

本发明的目的是要提出一种掺杂氧化铈电极及其制备方法和应用，重点是通过电化学阳极氧化法在集流体表面直接沉积氧化物，避免在电极中使用粘结剂，同时在电沉积向电极活性物质中引入3价过渡金属离子进行掺杂，提高材料的内部电子电导性能，从而获得高比容特征的超级电容器电极。此外也能避免电极制备过程释放有毒气体污染环境。

本发明一种掺杂氧化铈电极，所述掺杂氧化铈电极包括集流体和附着于集流体上的电化学活性层；所述电化学活性层包含二氧化铈和掺杂金属元素；所述电极中不含粘结剂；所述掺杂金属元素为过渡金属元素；所述过渡金属元素以3价的形式均匀分布于电化学活性层内。

本发明一种掺杂氧化铈电极，所述掺杂氧化铈电极中，铈元素与掺杂金属元素的摩尔比为10～100:1、优选为10～30:1、进一步优选为10～20:1。

本发明一种掺杂氧化铈电极，所述掺杂金属元素选自Fe、Ni、Co中至少一种。优选为Fe。

本发明一种掺杂氧化铈电极的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

将可溶性三价铈盐与盐A以及有机酸盐溶解于水形成混合溶液用作电沉积液；所述盐A中含有掺杂金属元素，且盐A溶于水后，掺杂金属元素以二价离子形式存在；

步骤二

将表面清洁的集流体材料作为为阳极，置于步骤一所得电沉积液中；进行电化学阳极氧化电沉积，在阳极集流体表面沉积含掺杂离子的铈羟基氧化物；得到备用电极；电沉积过程中阳极电势控制在0.6V(相对于硫酸亚汞电极)以上；

步骤三

在含氧气氛中，对步骤二所得备用电极进行热处理，得到掺杂氧化铈电极。

本发明一种掺杂氧化铈电极的制备方法，所述溶性三价铈盐选自硫酸铈、醋酸铈中的至少一种。

本发明一种掺杂氧化铈电极的制备方法，所述有机酸盐选自苯甲酸、醋酸的碱金属盐中的至少一种。