[发明专利]一种应用于超级电容器的多孔氢氧化镍材料及其制备方法

说明书

本发明介绍了一种应用于超级电容器的多孔氢氧化镍电极材料及其制备方法，属于新能源材料技术领域。本发明先使无机镍盐(醋酸镍)与有机配体(2,5‑二羟基对苯二甲酸)在110℃的溶剂热条件下反应得到前驱体Ni‑MOF‑74，再进一步利用KOH水溶液对其进行处理，使其发生碱性水解得到多孔氢氧化镍材料。该多孔氢氧化镍的外形维持了前驱体的棒状形貌。此策略与传统的制备金属氢氧化物电极材料的策略不同，需要先制备出前驱体，而后再进行后续处理。与此前以MOF为模板，碱性水解制氢氧化物的方法也不同，需要在高温下进行碱性水解，最大限度地利用了MOF的孔道特征。得到的多孔氢氧化镍电极材料具有良好的电容器性质，为今后制备高性能超级电容器的电极材料提供了新的路线。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种应用于超级电容器的多孔氢氧化镍电极材料及其制备方法

背景技术

超级电容器，又名电化学电容器，根据其储电机理又可分为双电层电容器(EDLC)和赝电容器(PC)两种。其中，赝电容器，又称电池型电容器，因其具有比EDLC更高的能量密度及更可观的功率密度和电容量，常被应用于一些需要快速充放电的领域中，且有望成为下一代高效安全的储能设备之一。然而，其相对较低的比容量和能量密度仍然限制了其大规模应用。因此，设计和合成具有优异电化学性能的超级电容器电极材料就成为了关键。

过渡金属氢氧化物和氧化物是两类常被用于制作超级电容器电极材料的化合物，其中，过渡金属氢氧化物由于具有比较高的理论比容量(高达3500-4600F/g)，被认为是最有希望代替现有材料的电极材料之一。典型的代表如氢氧化镍，常展现出比金属氧化物、硫化物、磷化物更高的比容量。尽管如此，其比容量仍无法达到实际应用的需求，并且其循环稳定性还需进一步提高。

一种能够有效地提高氢氧化镍电极材料比容量的方法是提高其比表面积，以使其在相同质量下能够具有更多的电化学活性位点，从而使更多的电荷通过活性位点上的氧化还原反应得以储存。Huang等人利用水热反应将β-Ni(OH)₂纳米片生长到了泡沫镍表面上，附着在泡沫镍粗糙表面上生长的纳米片从而具有了较高的比表面积，因此具有了高达790.3C/g的电容量，接近1040.6C/g的理论电容量值；此外，该电极材料循环测试1000轮后仅损失了8％的容量，表明该材料具有良好的循环稳定性(Huang,J.；Xu,P.；Cao,D.；Zhou,X.；Yang,S.；Li,Y.；Wang,G.Asymmetric supercapacitors based on β-Ni(OH)₂nanosheets and activated carbon with high energy density.Journal of PowerSources 2014,246,371-376.)。

以具有高比表面积的多孔材料MOFs(金属有机框架材料，即Metal-Organic-Frameworks)为前驱体，通过碱性水解的方法实现由前驱体到产物的“共形转变”(即结构和形貌不发生改变)，从而构筑氢氧化镍电极材料是种新颖的路线。Xiao等人利用MCF-35为前驱体，使其在室温下的KOH溶液中发生碱解，得到了具有高比表面积(244.7m²/g)和良好结晶性的多孔氢氧化镍电极材料，该电极材料具有高达902C/g的容量，且其制备路线绿色、经济，具有一定的应用价值(Xiao,Z.；Xu,B.；Zhang,S.；Yang,Z.；Mei,Y.；Fan,W.；Zhang,M.；Zhang,L.；Sun,D.Balancing crystallinity and specific surface area of metal-organic framework derived nickel hydroxide for high-performancesupercapacitor.Electrochimica Acta 2018,284,202-210.)。可以看出，以Ni-MOF为前驱体，通过碱解的手段实现“共形转变”来制备多孔氢氧化镍，更容易得到具有高比表面积的电极材料，从而能够突破更高的电容量。