一种碳纤维基氢氧化镍复合材料的制备方法及其应用与流程

本发明属于复合电极材料制备技术领域，特别涉及一种碳纤维基氢氧化镍复合材料的制备方法及其应用。

背景技术：

伴随着社会经济的快速发展及人口的急剧增长，能源短缺问题愈来愈突出。为解决这些问题，发展环保的具有高效利用率和低污染的可持续能源刻不容缓。超级电容器因其具有高的功率密度、长的循环寿命和简单的工作原理等优点而备受关注。目前，超级电容器已经用于电子产品、交通运输、电力、通讯和国防安全等领域，如电动螺丝刀、风能和太阳能发电储能设备。研究表明，超级电容器性能的提高主要依赖于电极材料的发展。纳米金属氢氧化物作为超级电容器电极材料具有较高的电容值，然而易聚集性和低导电性的缺点影响了其循环稳定性能和大电流密度的电容值，限制了其作为超级电容器电极的应用。

以来源广泛的生物质棉花为碳源通过热处理得到的碳纤维是一类质量轻、高导电性、高比表面积的结构材料。棉花基碳纤维的交织结构使其碳化后还能保持一定的整体结构，为其作为基底采用原位生长法负载氢氧化镍创造了条件。

因此，本发明拟以脱脂棉作为基础材料，将脱脂棉在氮气气氛下进行高温热处理得到碳纤维块；以碳纤维为基底，以硫酸镍为原料，采用化学浴法得到碳纤维基氢氧化镍纳米复合材料，本思路未见文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碳纤维基氢氧化镍复合材料的制备方法及其应用。

具体步骤为：

(1)将2 g脱脂棉放在刚玉舟中并置于管式炉中部，在氮气气氛下升温至700 ℃焙烧2 h，升温速率为10 ℃/min，之后在氮气气氛下自然冷却至室温，即得到碳纤维块。

(2)将5.26 g硫酸镍、1 g过硫酸钾和45 mL蒸馏水加入到烧杯中，搅拌溶解，制得混合溶液。

(3)将步骤(1)所得碳纤维块在甲醇中润湿后放入步骤(2)制得的混合溶液中，并用铜丝压住使碳纤维块沉入盛混合溶液的烧杯底部，且靠在烧杯内壁，然后在烧杯中心处放入搅拌磁转子，开动搅拌，逐滴加入质量分数为28%的氨水3 mL，滴加结束后停止搅拌，静置1 h，然后取出碳纤维块样品用蒸馏水洗涤后置于烘箱中于80 ℃下干燥12 h，即制得碳纤维基氢氧化镍复合材料。

所述脱脂棉为市售的医用脱脂棉。

本发明的碳纤维基氢氧化镍复合材料能够作为超级电容器的电极材料进行应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)本发明所述的碳纤维基氢氧化镍复合材料，以来源广泛的生物质棉花作为基础材料，棉花纤维的交织结构使其高温热处理后还能保持一定的整体结构。利用它作为生长电极材料的基底，一方面可以改善氢氧化镍的导电性，另一方面可以减弱原位生长时活性物质的团聚现象。

2)本发明方法操作简单，容易实现，且所制得的碳纤维基氢氧化镍复合材料作为超级电容器的电极材料使用时性能优异。

附图说明

图1是本发明实施例制得的碳纤维基氢氧化镍复合材料的扫描电镜图。

图2是本发明实施例制得的碳纤维基氢氧化镍复合材料和对比例制得的未添加基底的氢氧化镍材料的比电容随电流密度的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

将2 g市售的医用脱脂棉放在刚玉舟中并置于管式炉中部，在氮气气氛下升温至700 ℃焙烧2 h，升温速率为10 ℃/min，之后在氮气气氛下自然冷却至室温，即得到碳纤维块；将5.26 g硫酸镍、1.00 g过硫酸钾和45 mL蒸馏水加入到烧杯中，搅拌溶解，制得混合溶液；将碳纤维块用甲醇润湿后放入混合溶液中，并用铜丝压住使碳纤维块沉入盛混合溶液的烧杯底部，且靠在烧杯内壁，然后在烧杯中心处放入搅拌磁转子，开动搅拌，并逐滴加入质量分数为28%的氨水3 mL，滴加结束后停止搅拌，静置1 h，然后取出碳纤维块样品用蒸馏水洗涤后置于烘箱中于80 ℃下干燥12 h，即制得碳纤维基氢氧化镍复合材料。

将本实施例制得的碳纤维基氢氧化镍复合材料与聚偏二氟乙烯及炭黑按照质量比为80:10:10称量配料，然后置于500 μL N-甲基-2-吡咯烷酮中，搅拌均匀后涂在泡沫镍1 cm²的表面上。然后在100℃下干燥12 h，在10 MPa下进行压片并称重，即制得超级电容器电极材料。将制得的超级电容器电极材料置于6.0 mol/L的KOH电解液中，常温下在CHI660D电化学工作站分别进行循环伏安曲线、恒电流充放电曲线和稳定性的测试。经测试发现，所得超级电容器电极材料的电容性能大大增加，样品在不同电流密度下的比电容值见图2。

对比例：

将5.26 g硫酸镍、1.00 g过硫酸钾和45 mL蒸馏水加入到烧杯中，搅拌溶解，制得混合溶液；在磁力搅拌下，逐滴加入质量分数为28%的氨水3 mL，滴加结束后停止搅拌，静置1 h，将烧杯内的沉淀过滤洗涤并置于烘箱中于80 ℃下干燥12 h，即制得未添加基底的氢氧化镍材料。

将本对比例制得的未添加基底的氢氧化镍材料和聚偏二氟乙烯及炭黑按照质量比为80:10:10称量配料，然后置于500 μL N-甲基-2-吡咯烷酮中，搅拌均匀后涂在泡沫镍1 cm²的表面上。然后在100℃下干燥12 h，在10 MPa下进行压片并称重，即制得未添加基底的电极材料。将制得的未添加基底的电极材料置于6.0 mol/L的KOH电解液中，常温下在CHI660D电化学工作站分别进行循环伏安曲线、恒电流充放电曲线和稳定性的测试。经测试发现，所得未添加基底的电极材料有一定的电容性能，样品在不同电流密度下的比电容值见图2。

通过实施例和对比例的对照，能够看出本发明的碳纤维基氢氧化镍复合材料的电化学性能明显增强。因此以脱脂棉为前驱体采用化学浴法制备得到的碳纤维基氢氧化镍复合材料是一种有较大应用前景的高效超级电容器电极材料。