一种NiMoO4@Co3O4核壳纳米复合材料、制备方法和应用与流程

本发明属于纳米二元金属过渡氧化物功能化材料制备技术领域，具体涉及一种nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料、制备方法和应用。

背景技术：

随着便携式电子设备和混合动力电动汽车市场的快速增长，对高功率能源的需求急剧增加。因此深入开展超级电容器基本理论及实际应用研究具有重要的学术价值和应用前景。

超级电容器，也称为电化学电容器，由于其具备高功率密度，快速离子交换率，长循环寿命（＞10⁵周期）和独特的安全性，受到人们的广泛关注。电化学电容器的性能在很大程度取决于其电极材料，并且与电极材料的结构有至关重要的联系。

目前的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物材料和导电聚合物材料。金属氧化物材料因法拉第赝电容行为使其潜在的比电容比碳材料要高，但也存在倍率性能差、循环不稳定等缺点。二元过渡金属氧化物具有多重氧化态，能够发生丰富的氧化还原反应，有望成为高性能的超级电容器电极材料。近年来，金属钼酸盐具有价格低廉、容易制备、环境友好等特点受到广泛关注。nimoo4由于ni离子的高电化学活性而使其作为超级电容器具有更高的比容量。尽管nimoo4较其它金属氧化物拥有更高的比容量，但仍然因其自身导电性能差而阻碍其发展与应用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料、制备方法和应用。本发明利用水热反应制备具有一维纳米结构的nimoo4@co3o4复合材料，制备反应温度低，工艺要求简单，操作工序少，成本低廉，易于批量化生产，所制备的纳米复合材料，尺寸均一，结构完整，电化学性能优异，可用作超级电容器材料。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将等物质量的镍盐和钼酸盐溶解在去离子水中搅拌，得到混合溶液；

（2）将上述混合溶液转移到反应釜中，加入集流体基底，设置反应釜温度为120~150℃，反应时间为3~12小时，进行水热合成反应；

（3）将反应釜冷却至室温后，取出集流体，清洗干净，放入真空干燥箱干燥；

（4）将干燥后的集流体放入高温炉中，在300~400℃的温度下烧结2~4小时，得到nimoo4样品；

（5）配制包括氟化铵、尿素和钴盐的混合溶液，钴盐浓度为0.04~0.07mol/l；

（6）将配制好的混合溶液转移到反应釜中，然后加入步骤（4）获得的nimoo4样品，设置反应釜温度为120~150℃，反应时间为20~24小时，进行水热合成反应；

（7）反应结束后，取出样品，清洗干净，放入真空干燥箱干燥；

（8）将干燥后的产物放入高温炉中，在350~450℃的温度下烧结1~3小时，即得到nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料。

本发明中，步骤（1）中，混合溶液中的镍盐和钼酸盐的浓度分别在0.03~0.06mol/l之间。

本发明中，步骤（1）中，镍盐选自六水合硫酸镍、六水合氯化镍、六水合硝酸镍或乙酸镍中的任意一种，钼酸盐选自二水合钼酸钠或钼酸铵中的任意一种。

本发明中，步骤（2）中，集流体基底选自泡沫镍、碳纤维布、碳纸、玻碳、石墨或导电玻璃中的任意一种。

本发明中，步骤（3）和步骤（7）中，真空干燥箱中的干燥温度独立的选自70~85℃,干燥时间独立的选自4~10h。

本发明中，步骤（5）中，钴盐选自七水合硫酸钴、六水合氯化钴、六水合硝酸钴、乙酸钴中的任意一种。

本发明中，步骤（5）中，钴盐、氟化铵和尿素的摩尔比为1﹕4﹕5。

本发明还提供一种上述的制备方法制得的nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料。优选的，其呈纳米线状结构，直径在100~130nm之间，其包括nimoo4纳米线和其表面均匀包覆着的co3o4材料。

本发明进一步提供上述的nimoo4@co3o4核壳纳米复合材料在超级电容器中的应用。

通过上述技术方案，和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明制备方法操作简便，绿色环保，成本低；

2）本发明先通过水热反应法在集流体基底上生长nimoo4纳米线，然后利用水热法在nimoo4纳米线上生长co3o4，最终获得特定形貌结构的复合材料保证了活性材料nimoo4与co3o4与导电基体和电解液之间的充分接触，提升过渡金属氧化物在充放电过程中的电化学稳定性，进而提高了其比电容、倍率性能以及循环稳定性。制备的nimoo4@co3o4纳米复合材料可以广泛应用在超级电容器、锂离子电池、传感器、电子器件、燃料电池、电催化等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为按实施例1处理后的nimoo4@co3o4纳米复合材料在中倍下的扫描电镜（sem）。

图2为按实施例1处理后的nimoo4@co3o4纳米复合材料在低倍下的扫描电镜（sem）。

图3为按实施例1处理后的nimoo4@co3o4纳米复合材料在高倍下的扫描电镜（sem）。

图4为按实施例1处理后的nimoo4@co3o4纳米复合材料的循环伏安曲线（cv）。

图5为按实施例1处理后的nimoo4@co3o4纳米复合材料在0.2a/g、0.5a/g和1a/g电流密度下的充放电曲线（gcd）。

图6为按实施例1处理后的co3o4材料在0.2a/g、0.5a/g和1a/g电流密度下的充放电曲线（gcd）。

图7为按实施例1处理后的nimoo4材料在0.2a/g、0.5a/g和1a/g电流密度下的充放电曲线（gcd）。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合以上附图进一步阐述本发明。

实施例1

称取六水硝酸镍0.72g和二水钼酸纳0.6g，将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好泡沫镍。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间3h。反应结束后，反应釜冷却至室温，取出泡沫镍，分别用乙醇和去离子水清洗干净，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为6h。将干燥完全的泡沫镍放入高温炉中于350℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在泡沫镍上的样品（样品一）。

称取七水硫酸钴0.5622g、氟化铵0.296g、尿素0.6g，将混合物溶解在35ml去离子水中。将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱的温度为120℃，反应时间20h，进行水热合成反应。反应完成后，取出泡沫镍样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧2h，即得到核壳结构的nimoo4@co3o4复合材料。

结合附图：

图1、图2和图3分别是实施例1所制备的nimoo4@co3o4复合材料在扫描电镜15000倍、1500倍和60000倍下观测得到的形貌。由图中可见，实施例1得到的nimoo4@co3o4复合材料为纳米线状结构，直径约为100nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。这种结构既可以使电解液有效的扩散到电极材料的内部，又能提供更大的比表面积，从而增多了活性位点，可使电极的比电容和循环性能得到改善，提高电极的电化学性能。

采用三电极体系进行超级电容器的组装，nimoo4@co3o4复合材料作为工作电极；20×20（mm），厚度为0.1mm的铂片为辅助电极；饱和甘汞电极(sce)为参比电极；电解液为3mol/lkoh溶液；采用电化学工作站进行循环伏安测试，利用land恒流充/放电测试仪进行充放电测试(蓝电)。

图4为室温下nimoo4@co3o4复合材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线图，电压范围为-0.3-0.9v。当扫速增大到100mv/s时，图中依然可以看到氧化还原峰，这说明该材料具有较低的内阻，具有优良的倍率性能。

图5为室温下nimoo4@co3o4复合材料分别在0.2a/g、0.5a/g和1a/g三种不同电流密度下得到的充放电曲线。电压范围为0-0.4v，通过充放电图算出比电容，nimoo4@co3o4纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为890f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

图6为实施例1相同工艺参数条件下制备的co3o4材料分别在0.2a/g、0.5a/g和1a/g三种不同电流密度下得到的充放电曲线。电压范围为0-0.5v，通过充放电图算出比电容，co3o4材料在0.2a/g时的比电容为480f/g，在同一电流密度下单一co3o4材料的比电容明显低于co3o4@nimoo4复合材料的比电容，进一步说明该复合材料具有优异的储电性能。

图7为实施例1相同工艺参数条件下制备的nimoo4材料分别在0.2a/g、0.5a/g和1a/g三种不同电流密度下得到的充放电曲线。电压范围为0-0.35v，通过充放电图算出比电容，即一维纳米线结构nimoo4材料在0.2a/g电流密度下比电容为401f/g，明显低于同电流密度下nimoo4@co3o4复合材料的比电容，进一步说明该复合材料具有优异的超级电容器性能，且两种单一的过渡金属氧化物具有优异的协同作用。

实施例2

称取六水硫酸镍0.65g和钼酸铵0.49g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好碳布。设置真空干燥箱温度为120℃，反应时间4h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出碳布，分别用乙醇和去离子水清洗2~3次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h，将干燥完全的碳布放入高温炉中于300℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在碳布上的样品（样品一）。

称取六水氯化钴0.4759g、氟化铵0.296g、尿素0.6g，将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间24h，进行水热合成反应。反应完成后，取出碳布，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧2h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为100nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为860f/g，表明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例3

称取六水氯化镍0.59g和钼酸铵0.49g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好碳纤维纸。设置真空干燥箱温度为140℃，反应时间6h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出碳纤维纸，分别用乙醇和去离子水清洗2~3次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h，将干燥完全的碳纤维纸放入高温炉中于400℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在碳纤维纸上的样品（样品一）。

称取四水乙酸钴0.4982g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间22h，进行水热合成反应。反应完成后，取出碳纤维纸样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧2h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为120nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为850f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例4

称取六水硝酸镍0.72g和钼酸铵0.49g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好泡沫镍。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间9h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出泡沫镍，分别用乙醇和去离子水清洗数次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h，将干燥完全的泡沫镍放入高温炉中于350℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在泡沫镍上的样品（样品一）。

称取六水硝酸钴0.582g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间22h，进行水热合成反应。反应完成后，取出泡沫镍样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧3h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为120nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为850f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例5

称取四水乙酸镍0.62g和二水钼酸纳0.6g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好玻碳。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间12h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出玻碳，分别用乙醇和去离子水清洗数次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h,将干燥完全的玻碳放入高温炉中于350℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在玻碳上的样品（样品一）。

称取六水氯化钴0.4759g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间23h，进行水热合成反应。反应完成后，取出玻碳样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧1h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为130nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为820f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例6

称取六水氯化镍0.59g和钼酸铵0.49g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好玻碳。设置真空干燥箱温度为130℃，反应时间12h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出玻碳，分别用乙醇和去离子水清洗数次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h,将干燥完全的玻碳放入高温炉中于350℃高温煅烧2h，即得到nimoo4生长在玻碳上的样品（样品一）。

称取六水氯化钴0.4759g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间23h，进行水热合成反应。反应完成后，取出玻碳样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧3h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为120nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为840f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例7

称取六水硝酸镍0.72g和二水钼酸纳0.6g，将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好碳纤维纸。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间6h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出碳纤维纸，分别用乙醇和去离子水清洗2~3次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h,将干燥完全的碳纤维纸放入高温炉中于350℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在碳纤维纸上的样品（样品一）。

称取四水乙酸钴0.4982g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间23h，进行水热合成反应。反应完成后，取出碳纤维纸样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧3h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为120nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为840f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例8

称取六水氯化镍0.59g和二水钼酸纳0.6g将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好碳纤维纸。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间6h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出碳纤维纸，分别用乙醇和去离子水清洗2~3次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间4h，将干燥完全的碳纤维纸放入高温炉中于350℃高温煅烧3h，即得到nimoo4生长在碳纤维纸上的样品（样品一）。

取四水乙酸钴0.4982g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间23h，进行水热合成反应。反应完成后，取出碳纤维纸样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧3h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为120nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为830f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例9

称取四水乙酸镍0.62g和二水钼酸纳0.6g，将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好玻碳。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间3h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出玻碳，分别用乙醇和去离子水清洗数次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h，将干燥完全的玻碳放入高温炉中于350℃高温煅烧1h，即得到nimoo4生长在玻碳上的样品（样品一）。

取六水氯化钴0.4759g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间23h，进行水热合成反应。反应完成后，取出玻碳样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧1h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为110nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为870f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

实施例10

称取六水硫酸镍0.65g和二水钼酸纳0.6g，将其溶解在50ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌30-35分钟后，将混合溶液转移到反应釜中，然后放置好导电玻璃。设置真空干燥箱温度为150℃，反应时间12h。反应结束后，反应釜冷却至室温后，取出导电玻璃，分别用乙醇和去离子水清洗数次，然后放入真空干燥箱进行干燥，干燥温度80℃，干燥时间6h，将干燥完全的玻碳放入高温炉中于350℃高温煅烧1h，即得到nimoo4生长在导电玻璃上的样品（样品一）。

称取六水氯化钴0.4759g、氟化铵0.296g、尿素0.6g,将混合物溶解在35ml去离子水中，将混合溶液转移到反应釜中，将样品一放置在反应釜中，设置真空干燥箱温度120℃，反应时间24h，进行水热合成反应。反应完成后，取出导电玻璃样品，清洗干净后，放入真空干燥箱于80℃干燥8h，然后将干燥完全的样品放入高温炉中于400℃高温煅烧2h，即得到一维核壳结构nimoo4@co3o4复合材料。sem结果表明nimoo4@co3o4复合材料呈纳米线状结构，直径约为130nm，nimoo4纳米线表面均匀包覆着co3o4材料。该纳米复合材料在0.2a/g电流密度下比电容为810f/g，说明该复合材料具有优异的超级电容器性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。