一种掺铝氧化锌纳米阵列的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电极材料性能的技术领域，尤其涉及一种掺铝氧化锌纳米阵列的制备方法。
【背景技术】
[0002]当今社会，在能源危机和环境污染严重的压力下，能源的存储显得尤为重要。超级电容器作为一种新型的能源存储器件，具有能量密度高、充放电时间短、循环寿命长等优点被广泛的研究并应用于各种电子产品中。决定超级电容器性能的关键因素是电极材料电化学性能的优劣，因此合成一种性能优良的电极材料已成为人们研究的热点。传统的超级电容器电极材料可以分为三大类，碳材料、导电聚合物材料以及过渡金属化合物，其中过渡金属化合物拥有多个易接近的价态中心，更易发生可逆的电化学反应，因此具有较大的电容量，如:N1理论电容量可以达到2573Fg \然而过渡金属化合物的实际电容量却并不十分理想，主要原因是其导电性差，为了解决这一问题，研究者提出了各种提高其电导率的方法，如掺杂改性、预处理和复合改性。
[0003]其中复合改性被认为是一种最为有效的改性手段。复合改性即是将过渡金属化合物与电导率高的材料复合在一起来提高材料导电性的一种方法，目前用于复合改性的材料主要有:石墨烯、碳纤维、氧化锌和金属纳米粒子。氧化锌由于价格低廉且环境友好，受到了广泛的青睐。另外，一维ZnO纳米棒由于其单向电子传输特性而成为复合改性研究的热点材料。近期，也有一些学者尝试采用导电性较好的Al掺杂ZnO纳米棒提高过渡金属化合物的电导率。传统的原子层沉积掺杂和磁控溅射掺杂技术工艺复杂、成本高、且大多形成多晶薄膜不易电子传输。J.Liu 等(Liu J，Xu L, Wei B, et al.0ne-step hydrothermalsynthesis and optical properties of aluminium doped ZnO hexagonal nanoplates ona zinc substrate.CrystEngComm, 2011, 13:1283-1286)采用快速直接且成本低廉的低温水热法成功合成了 Al掺杂ZnO纳米片，然而由于反应腔体内反应物浓度的变化，很难有效的保证反应物的形貌以及掺杂的均匀性。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供一种掺铝氧化锌纳米阵列的制备方法，所述制备方法为通过连续恒定速率注入生长源和掺杂源，精确控制化学反应液的浓度，从而可控制备出高载流子浓度的掺铝氧化锌阵列，并与氧化镍材料复合得到高容量的电容器电极材料；
进一步地，所述制备方法具体步骤如下:
(1)对玻璃进行清洗并磁控溅射沉积掺Al的氧化锌薄膜作为晶种层，将此衬底晶种层向上置于连续生长装置的液相化学反应腔中；
(2)配制50mM硝酸锌和5mM硝酸铝混合水溶液并将其注入到所用连续生长装置其中的一个注射器； (3)配制50mM六亚甲基四胺作为碱盐将其注入到装置的另一个注射器中；
(4)通过水浴加热将液相化学反应腔温度保持在95°C，设定反应源恒定注入速率(6ml/h)以及恒定注入时间(16h)开始连续流动注射法制备掺铝ZnO阵列；
(5)水热反应结束后，停止加热反应腔，待冷却到室温，取出样品，用去离子水冲洗并氮气吹干；
(6)通过化学浴沉积法在掺铝ZnO阵列外包覆N1纳米片构筑电容器电极材料；
进一步地，所述的连续生长装置的注射器共有两个，可以以恒定的速率向前推进将生长液注入反应腔，与此同时，反应产生的废液会以同样的速率排出；
进一步地，所述玻璃的清洗方法为分别用丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗lOmin，随后用氮气吹干；
进一步地，所述的磁控派射沉积掺Al的氧化锌薄膜厚度为500nm ；
进一步地，所述化学沉积法为将40ml浓度为IM硫酸镍、30ml浓度为0.25M过硫酸钾以及1ml氨水依次加入到10ml烧杯中作为沉积溶液，将已制备的铝掺杂ZnO纳米棒阵列样品，直立在上述的沉积溶液中进行镍源的沉积反应，25摄氏度下反应30分钟后，取出样品，350度空气中退火1.5小时；
进一步地，一种电容器电极材料，所述电极材料由连续流动注射法所制备的高电导率的铝掺杂氧化锌纳米阵列与导电性差但电容量高的氧化镍纳米片材料结合所得；
进一步地，所述氧化镍纳米片材料的厚度为100-200nm。
[0005]本发明的有益效果如下:
1)使用两个注射器，以恒定的速率向前推进将生长液注入反应腔，废液以同样的速率排出，以此控制反应腔中生长液的浓度恒定；
2)磁控溅射沉积掺Al的氧化锌薄膜厚度为500nm，其是作为掺铝ZnO纳米阵列水热生长的晶种层从而保证其更好的结晶性与化学取向性；
3)恒定注入速率可以精确控制生长源、掺杂源与碱盐的比例，保持恒定的PH值，有利于Al原子替代Zn原子，从而合成均匀铝掺杂ZnO纳米棒阵列；
4)将连续流动注射法所制备的高电导率的铝掺杂氧化锌纳米阵列与导电性差但电容量高的氧化镍纳米片材料结合，可充分发挥两者优势，大幅度提高超级电容器电极材料的电容量；
5)本发明制备的掺铝氧化锌材料与普通水热法相比载流子浓度提高了3个数量级。将这种高载流子浓度的铝掺杂氧化锌材料与导电性差的氧化镍复合起来，充分发挥两者优势，可大幅度提高电容器的电容量；
6)这种连续流动注射掺杂方法为可控精确掺杂提供了新思路且工艺简单，成本低廉，有很好的应用前景。
【附图说明】
[0006]图1为连续流动注射装置图；
图2为连续生长掺铝氧化锌阵列扫描电镜图；
图3为连续生长掺铝氧化锌阵列扫描能谱图；
图4为传统水热法掺铝氧化锌阵列载流子浓度图； 图5为连续生长掺铝氧化锌阵列载流子浓度图；
图6为传统水热法掺铝氧化锌阵列与连续生长掺铝氧化锌阵列循环伏安曲线与恒流充放电曲线对比图；
图7为实施例1连续生长掺铝氧化锌阵列扫描电镜图；
图8为实施例2连续生长掺铝氧化锌阵列扫描电镜图；
图9为实施例3连续生长掺铝氧化锌阵列扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0007]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0008]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例:
一种掺铝氧化锌纳米阵列的制备方法，所述制备方法为通过连续恒定速率注入生长源和掺杂源，精确控制化学反应液的浓度，从而可控制备出高载流子浓度的掺铝氧化锌阵列，并与氧