一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法及应用与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法及应用。

背景技术：

随着科学技术突飞猛进的发展以及电子产品的更新换代，超级电容器电极材料的研究已经引起了研究者们的极大兴趣。目前，传统的超级电容器电极材料主要有以下几类：碳材料类电极材料、导电聚合物类电极材料、金属氧化物类电极材料。然而，在实际应用中，人们发现，这些传统的电极材料或多或少都存在各自的缺陷，如：活性面积小，导电性差、电容量低，循环时间短，能量密度和功率密度小，由于这些缺陷的存在，很难满足现实中更高的应用需求。因此，寻找一种工艺简单、条件温和的制备纳米材料的方法来制备一种循环时间长、能量密度和功率密度大的电极材料具有重要意义，也是研究的重点所在。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，所得纳米材料结构平铺生长、呈多孔片状，具有的三维结构，可直接作为超级电容器的电极材料，具有循环时间长、能量密度和功率密度大的优点。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将泡沫镍依次用乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中在超声条件下清洗；

（2）将二次蒸馏水、氯化锌、六水氯化钴、尿素和氟化铵混合均匀，得到混合液，加入反应釜中，将清洗后的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜中进行反应，反应结束后，冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍。

优选地，所述步骤（1）中在各清洗液中超声清洗时间分别为10~20min。

优选地，所述步骤（2）中所得到的混合溶液中，氯化锌的浓度为0.008 mol/L~0.016 mol/L，氯化钴的浓度为0.016 mol/L~0.030 mol/L，尿素的浓度为0.040 mol/L~0.012 mol/L，氟化铵的浓度0.016 mol/L~0.024 mol/L。

优选地，所述步骤（2）中反应温度为100℃~160℃。

优选地，所述步骤（2）中反应时间为5~9h。

本发明还涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的应用，所述制备方法得到的钴酸锌纳米材料可用作为超级电容器的电极材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种三维氧化锌纳米条结构的制备方法，工艺简单，设备要求低，制备得到的产物纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低，重现性好。所制备出的三维多孔片状钴酸锌纳米材料生长在泡沫镍上，可直接作为超级电容器的电极材料，实现了长的循环稳定性、大的具体电容、高的能量密度和功率密度，在能量存储方面具有潜在的应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的扫描电子显微镜照片（SEM）；

图2为实施例1制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的X射线衍射照片（XRD）；

图3为实施例1制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的循环伏安曲线（CV）；

图4为实施例1制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的充放电曲线（CV）；

图5为实施例2制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的扫描电子显微镜照片（SEM）；

图6为实施例3制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的扫描电子显微镜照片（SEM）；

图7为实施例4制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的扫描电子显微镜照片（SEM）；

图8为实施例5制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料的扫描电子显微镜照片（SEM）。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如Sambrook等分子克隆：实验室手册（New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989）中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1：

本实施例涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面有杂质的镍片依次放入乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中，分别进行超声清洗15 min；

（2）将25 mL二次蒸馏水、0.2 mmol氯化锌、0.4 mmol六水氯化钴、1 mmol尿素和0.4 mmol 氟化铵混合均匀后加入60 mL反应釜中，将处理过的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜，在120℃下反应9小时，反应结束后，自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍。

本实施例制得的三维多孔片状钴酸锌纳米材料形貌如图1所示，该结构平铺生长、呈多孔片状，具有的三维结构。

将实施例1制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料作为超级电容器的电极材料，进行电极测试。取10 mL 0.1mol/L NaOH溶液作为电解质溶液放入电解槽中，将实施例1中制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料作为工作电极，在扫速为5 mV s^-1时测循环伏安曲线（图3中曲线1），而后在扫速为10 mV s^-1时测循环伏安曲线（图3中曲线2），依次类推得到扫速为20 mV s^-1 (图3中曲线3)、50 mV s^-1 (图3中曲线4)、100 mV s^-1 (图3中曲线5)，从得到的CV图可以看出，随着扫速的增加电压呈线性关系。

取10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液作为电解质溶液放入电解槽中，将实施例1中制备的三维多孔片状钴酸锌纳米材料作为工作电极，在5A g^-1时得到充放电曲线（图4中曲线1），在10A g^-1时得到充放电曲线（图4中曲线2），在20 A g^-1时得到充放电曲线（图4中曲线3），在30A g^-1时得到充放电曲线（图4中曲线4），在40 A g^-1时得到充放电曲线（图4中曲线5），从充放电曲线可以得出三维多孔片状钴酸锌纳米材料作为电极相比其它材料有更高的电容量。

实施例2：

本实施例涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面有杂质的镍片依次放入乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中，分别进行超声清洗15 min；

（2）将30 mL二次蒸馏水、0.3mmol氯化锌、0.9 mmol六水氯化钴、2 mmol尿素和0.5 mmol 氟化铵混合均匀后加入60 mL反应釜中，将处理过的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜，在100℃下反应9小时，反应结束后，自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍，如图5所示。

实施例3：

本实施例涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面有杂质的镍片依次放入乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中，分别进行超声清洗15 min；

（2）将25 mL二次蒸馏水、0.3 mmol氯化锌、0.6 mmol六水氯化钴、1 mmol尿素和0.4 mmol 氟化铵混合均匀后加入60 mL反应釜中，将处理过的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜，在160℃下反应5小时，反应结束后，自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍，如图6所示。

实施例4：

本实施例涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面有杂质的镍片依次放入乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中分别进行超声清洗20 min；

（2）将25 mL二次蒸馏水、0.4 mmol氯化锌、0.6 mmol六水氯化钴、2 mmol尿素和0.6 mmol 氟化铵混合均匀后加入60 mL反应釜中，将处理过的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜，在150℃下反应5小时，反应结束后，自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍，如图7所示。

实施例5：

本实施例涉及一种三维多孔片状钴酸锌纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面有杂质的镍片依次放入乙醇、丙酮、稀盐酸、二次蒸馏水中，分别进行超声清洗15 min；

（2）将25 mL二次蒸馏水、0.2 mmol氯化锌、0.6 mmol六水氯化钴、3 mmol尿素和0.4 mmol 氟化铵混合均匀后加入60 mL反应釜中，将处理过的泡沫镍浸入混合液中，密闭反应釜，在110℃下反应7小时，反应结束后，自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得生长着三维多孔片状钴酸锌纳米材料的泡沫镍，如图8所示。

本发明提供的一种制备三维多孔片状钴酸锌纳米材料的方法，是在密闭的高温高压反应釜中，采用二次蒸馏水作为反应溶剂，加入氯化锌、六水氯化钴、尿素和氟化铵混合均匀，通过加热反应体系，产生一个高压环境而制备三维多孔片状钴酸锌纳米材料。跟现有技术相比，本发明提供的制备方法产物纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低，重现性好。所制备出的三维多孔片状钴酸锌纳米材料生长在泡沫镍上，可直接作为超级电容器的电极材料，实现了长的循环稳定性、大的具体电容、高的能量密度和功率密度，在能量存储方面具有潜在的应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。