[发明专利]一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明是属于新能源材料领域，涉及一种超级电容器电极材料的制备方法，具体涉及一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备。

背景技术

近年来，全球经济迅猛发展，但随之产生的能源短缺和环境污染等问题也日益凸显，寻找新型、高效、环保、可再生的能源和能源存储转换设备已然成为各国研究者的共同奋斗目标。超级电容器作为一种新型的储能元件，具有充电时间短、充电效率高、对环境无污染、循环使用寿命长、无记忆效应以及基本无需维护等优点，有望广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和大型的工业设备中，成为能源领域的未来之星。然而，由于超级电容器自身的能量密度不高和制备成本高等缺点，超级电容器还很难进行实际应用。为了克服这些技术壁垒，现在主要将超级电容器的研究重点放在开发新型复合电极材料上。

高比表面积的碳材料是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来实现能量储存的，这种储能是通过电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，因此具有良好的循环稳定性和较高的比功率密度，使其成为生长具有电化学活性纳米材料的理想基体材料；而氢氧化镍具有较高的理论比电容、环保和低成本等特点。采用大比表面积的碳材料作为基体，在此基础上生长纳米结构的氢氧化镍，不仅能够保持氢氧化镍的赝电容活性，还能利用基体碳材料的导电性高的特点，使内层的电极材料也能参与到电化学反应的过程中，提高电极材料的利用率，最大限度地发挥其协同效应，从而实现超级电容器整体性能的提高和优化。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法，并研究其作为超级电容器电极材料的应用性能。

本发明的构思是这样的：以分级多孔碳 (制备方法见中国发明专利CN 102295281 A)为模板，六次甲基四胺和硝酸镍为前驱体，采用一步水热反应法制备具有核壳结构的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。酸化处理后的分级多孔碳表面带有羟基负电荷，通过碳球上的羟基负电荷和镍离子正电荷间的静电吸附作用，镍离子可以扩散进入到多孔碳球的内部进行均匀吸附，再经过六次甲基四胺的催化水解和水热反应，氢氧化镍以内核和外壳层的形式存在，均匀吸附在碳球上。复合电极材料采用多孔碳作为基体，能够有效提高复合材料的导电性，减小电荷在材料内的传输阻力，而其多孔结构有利于电解液离子向纳米复合材料内部进行传输和扩散，使内层的电极材料也能参与电化学反应过程，提高电极材料的利用率，从而提高材料的电化学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种核壳结构氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将分级多孔碳分散于1～3 M硫酸溶液中，在60～80℃下酸化6～8 小时后，过滤，用去离子水洗涤至中性，50～80 ℃下烘8～10小时得到酸化的分级多孔碳球；

（2）将0.01～0.06 g步骤（1）所述酸化的分级多孔碳球加入60～80 ml去离子水中，超声15～60 分钟，使其充分分散；

（3）将0.15 g～0.45 g六水合硝酸镍加入步骤（2）的分散体系中，搅拌15～30分钟至均匀溶解，再加入0.35 g～1.06 g六次甲基四胺，继续搅拌10～20分钟，得到混合液；

（4）将步骤（3）得到的混合液转移到水热反应釜中，密封，60～100℃下反应10～24小时；待水热反应釜自然冷却至室温后，用去离子水、无水乙醇过滤洗涤分离，烘干，得到氢氧化镍/分级多孔碳复合材料。

所述分级多孔碳球具有空心核和介孔壁，所述空心核的直径是300～600 nm，所述介孔壁的壁厚是25～60 nm。

所述六次甲基四胺与所述六水合硝酸镍的摩尔比为1：0.25～1。

所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料具有三层核壳结构，其中，核心是氢氧化镍，内壳层是具有介孔壁的多孔碳球，外壳层是薄片状的氢氧化镍，外壳层厚度为10~30 nm。

上述制备方法得到的所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料的应用，所述氢氧化镍/分级多孔碳复合材料作为电极材料应用于超级电容器。

本发明采用水热法制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合材料，具有显著的特点：

（1）本发明所制备的氢氧化镍/分级多孔碳复合物具有特殊三层核壳结构，其中核心是氢氧化镍，内壳层是具有介孔壁的多孔碳球，外壳层是薄片状的氢氧化镍。