一种KNb3O8纳米片/碳布复合材料的制备方法与流程

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种knb3o8纳米片/碳布复合材料的制备方法。

背景技术：

超级电容器(supercapacitor)是一种新型的能量存储装置，因其功率密度高、充放电速度快、循环稳定性优异和使用温度范围宽等优点，受到了人们的广泛关注。碱金属铌酸盐(linbo3、nanbo3、knbo3)具有典型的网状结构，nbo6八面体以不同方式连接，使其具有多样化的结构类型，但其中只有钙钦矿型(abo3型)和烧绿石型(a2b2o7型)两种原型结构，其他结构类型均由这两种类型扭曲畸变而得。物质结构决定了材料的物理化学性质，因此，碱金属铌酸盐是一类非常重要的多功能材料，具有良好的铁电、介电、压电、光电、热电、光催化、非线性光学性能，同时还具有光折变效应、低毒和化学稳定性等特点。在k2o-nb2o5体系的铌酸盐化合物中铌酸钾化合物的组成也非常复杂，其化合物的种类更加繁多。目前，关于k2o-nb2o5体系的铌酸盐化合物的相关研究主要有：knbo3、knb4o17、k5.75nb10.85o30、k3nb7o19、k2nb8o21、knb3o8等。铌酸钾化合物常见的合成方法主要有溶胶-凝胶法、固相法和水热法。溶胶-凝胶法需要使用昂贵且不稳定的醇盐，操作和反应都须在干燥的惰性气体气氛中进行，而且通过其制备的粉体颗粒极易团聚。水热法制备铌酸钾化合物技术难度大，对温度高低、反应釜压力大小和koh的浓度都有很高的要求。固相法制得的产品颗粒粒径大，粒径均匀性差且产物中常混有杂相。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简易的knb3o8纳米片/碳布复合电极材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案由下述步骤组成：

1、将过二硫酸钾和氯化钾加入乙醇中，搅拌均匀，得到电解质溶液，所述电解质溶液中过二硫酸钾浓度为0.01～1mol/l，氯化钾浓度为0.01～1mol/l。

2、以纳米nb2o5/碳布复合电极材料为工作电极、铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，放入步骤1的电解质溶液中，通过循环伏安法进行电化学沉积，沉积温度为室温，工作电势区间为-1～1v，扫描速率为1～50mv/s，循环次数为10～100次。

3、沉积完成后取出碳布超声清洗、真空干燥、煅烧，得到knb3o8纳米片/碳布复合材料。

上述步骤1中，所述电解质溶液中，优选过二硫酸钾浓度为0.1～0.5mol/l、氯化钾浓度为0.1～0.5mol/l。

上述步骤2中，优选工作电势区间为0～0.45v，扫描速率为5～20mv/s，循环次数为40～60次。

上述步骤3中，所述的煅烧是在氮气气氛中550～800℃煅烧1～2h，优选在氮气气氛中600～700℃煅烧1h。

本发明所述的纳米nb2o5/碳布复合电极材料根据公布号为cn108346517a、发明名称为“纳米nb2o5/碳布复合电极材料的制备方法”的发明专利申请中公开的方法制备。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用电化学沉积技术制备knb3o8纳米片/碳布复合材料，所得复合材料中knb3o8纳米片尺寸、含量可控，粒度分布均匀。

2、与以往报道的knb3o8基电极的电容性能相比，本发明制备的纳米nb2o5/碳布复合材料作为超级电容器的柔性电极材料，在koh电解液中具有高的比电容值、良好的倍率性能和以及优异的循环稳定性，在高新科技领域中具有广泛的用途。

3、本发明制备方法简单，省时省力，且原材料成本低，无毒无害，环境友好，有着极其广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施例1所得knb3o8纳米片/碳布复合材料的xrd图。

图2是实施例1所得knb3o8纳米片/碳布复合材料的sem图。

图3是实施例1所得knb3o8纳米片/碳布复合材料在不同扫速下电极的循环伏安曲线。

图4是实施例1所得knb3o8纳米片/碳布复合材料在不同电流密度下电极的恒电流充放电曲线。

图5是实施例1所得knb3o8纳米片/碳布复合材料在同一电流密度下的循环稳定性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

下面实施例中所用的纳米nb2o5/碳布复合电极材料根据公布号为cn108346517a、发明名称为“纳米nb2o5/碳布复合电极材料的制备方法”的发明专利申请中公开的方法制备，具体制备方法如下：

将碳布切割成1cm×2cm的尺寸，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声处理15分钟，经60℃干燥后，置于由20ml质量分数为68％的hno3水溶液和60ml质量分数为98％的h2so4水溶液组成的混酸溶液中，经100℃回流处理5h后，冷却至室温，取出并用大量去离子水冲洗至中性，然后置于真空干燥箱中70℃干燥5h，得到处理后的碳布。以草酸铌浓度为0.05mol/l、草酸铵浓度为0.1mol/l、氯化钾浓度为0.5mol/l的水溶液为电解液，以处理后的碳布为工作电极、铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，通过循环伏安法进行电化学沉积，其中沉积的温度为70℃，工作电势区间-1.6～0v，扫描速率0.5mv/s，循环2次，得到纳米nb2o5/碳布复合电极材料。

实施例1

1、将1.3g过二硫酸钾和1.1g氯化钾加入100ml乙醇中，搅拌均匀，得到电解质溶液，所得电解质溶液中过二硫酸钾浓度为0.1mol/l、氯化钾浓度为0.1mol/l。

2、以纳米nb2o5/碳布复合电极材料为工作电极、铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，放入步骤1的电解质溶液中，通过循环伏安法进行电化学沉积，沉积温度为室温，工作电势区间为0～0.45v，扫描速率为5mv/s，循环次数为50次。

3、沉积完成后取出碳布用去离子水超声清洗、70℃真空干燥5h，然后在氮气气氛下600℃煅烧1h，得到knb3o8纳米片/碳布复合材料。

采用x-射线衍射仪、扫描电子显微镜等对上述得到的材料进行表征，结果见图1～2。由图1可见，所得材料的衍射峰位置以及强度与jpcds卡片(75-2182)相吻合，表明该材料为knb3o8。由图2可见，knb3o8呈纳米片层状，且均匀分布在碳布表面，横向尺寸约为100～500nm。

将所制备的knb3o8纳米片/碳布复合材料作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，在3mol/lkoh水溶液测试电极的电化学性能，结果见图3～5。由图3～5可以看出，knb3o8纳米片/碳布复合材料在2ma/cm²和50ma/cm²电流密度下的面积比电容分别为1844mf/cm²和981mf/cm²，电容保持率为53％，显示出优异的循环稳定性。

实施例2

本实施例中，将3.9g过二硫酸钾和3.3g氯化钾加入100ml乙醇中，搅拌均匀，得到电解质溶液，所得电解质溶液中过二硫酸钾浓度为0.3mol/l、氯化钾浓度为0.3mol/l。其他步骤与实施例1相同，得到knb3o8纳米片/碳布复合材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合材料在2ma/cm²电流密度下的最大比电容值可达610mf/cm²，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm²电流密度下的比电容值为522mf/cm²，是前者的85％。

实施例3

本实施例的步骤2中，扫速为1mv/s，其他步骤与实施例1相同，得到纳米nb2o5/碳布复合材料。按照实施例1的方法进行电化学性能测试，所得复合材料在2ma/cm²电流密度下的最大比电容值可达556mf/cm²，并表现出较好的倍率性能，在50ma/cm²电流密度下的比电容值为430mf/cm²，是前者的77％。