一种三维有序大孔碳包覆的NiMoO4/还原氧化石墨烯纳米复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种三维有序大孔碳包覆的NiMoO

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料及其制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人类不可避免的陷入了化石能源日渐枯竭和环境污染日益严重的窘境。面对如今严重的环境和能源问题，新型清洁能源的开发显得尤为迫切。如何寻求和开发无污染、循环新能源己经成为如今社会可持续发展必然面对的问题之一。在诸多能量形式(如化石能源、风能、太阳能、电能和核能等)中，电能作为一种清洁能源在日常生活中应用最为广泛且使用较为方便，但其储能问题一直是制约其发展的瓶颈。因此可以循环使用的能量储存和转换装置成为关注热点，如：燃料电池、超级电容器和锂电池等。以市场上常见电池体系为例，以碱锰、银锌、锂电等为代表的一次电池，铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、聚合物锂电池等二次电池已经广泛应用于汽车、电子、通讯、航空航天、军事、医疗、邮政、食品和加工等领域。这些传统的电池虽然能量密度相对较大，能够满足大部分场合的应用需求，但存在充电时间长，功率密度相对较低等缺陷，在一些高能脉冲应用场合中，不能满足体系需要的最大峰值功率。与此相对的，以快速充放、高功率著称的传统的静电电容器，如铝电解电容、钽电解电容等，虽然在电力系统、计算机、电子电路等领域还有一定的应用市场，但由于其储能密度太低，也不能满足要求，目前正处于应用深度和广度的缩小过程中。因此，随着经济不断发展，人们生活水平的提高，环保意识的加强，新应用领域的开辟，具有高能量密度、高功率密度、长寿命的新型绿色储能元器件亟待开发生产和应用。

超级电容器作为一种电能形式的储能器件，具有功率密度高、循环寿命长和安全环保等特点，成为全世界关注的焦点。超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的储能元件，可广泛应用于国防工业、移动通讯和电动汽车等领域。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料及其制备方法；本发明采用通过冰～分离～诱导自装，即冰模板的方法，并在惰性氛围(氮气、氩气等)下炭化，得到蜂窝状的纳米复合材料，该复合材料比表面积大，用于超级电容器方面展现了优异的电化学性能。

本发明引入交联剂PVA，通过冰模板法将(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)/GO二维片层构筑成三维有序大孔结构，然后在惰性气体下热处理，使得包裹(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)/GO的PVA转换成碳壳，同时，(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)转化为NiMoO₄，GO被还原成还原氧化石墨烯，进而得到三维有序的大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料。本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将氧化石墨烯GO加入去离子水中，超声均匀分散，然后加入Anderson型的(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)，超声溶解；

2)将步骤1)得到的分散液加热至回流，加热温度为105～120℃，回流时间为12～24h；

3)反应结束后，降至室温，用去离子水离心洗涤数次，弃去上清液，再将下部的GO/(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)浓缩；

4)按照体积比为1：1将PVA的水溶液加入到步骤3)中浓缩后的GO/(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)中，混合均匀后转移至一次性针管中，在液氮氛围下冷冻；

5)将步骤4)得到的样品转移至冷冻干燥机冷冻干燥，形成一个完整的块体；

6)将步骤5)中的块体样品在惰性氛围下煅烧，得到三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料。

本发明中，步骤1)中，GO与(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)的质量比为1:2～1:10，超声溶解时间为15～30min。

本发明中，步骤3)中，GO/(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)的浓缩浓度控制在10～50mg/mL。

本发明中，步骤4)中，PVA的水溶液的质量浓度为10～50mg/mL；在液氮氛围下冷冻时间为5～24h。

本发明中，步骤5)中，冷冻干燥温度为-48～-80℃，冷冻干燥时间为24～72h。

本发明中，步骤6)中，煅烧程序如下：以升温速率为5～10℃/min加热到500～800℃，继续保温1～5h。

本发明进一步提供一种上述的制备方法制得的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过上述制备方法得到的蜂窝状的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料，具有比较大的比表面积，用作超级电容器的电极材料时，表现出优异的电化学性能，比电容达到1080F>-1，循环5000圈以后，比电容保持率为97.6％，是理想的储能材料之一。

附图说明

图1是实施例1制备的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料的扫描电镜图。

图2是实施例2制备的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料的扫描电镜图。

图3是实施例3制备的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料的XRD图。

图4是实施例4制备的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料在电化学测试中的充放电图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但本发明并不受以下实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

实施例中，Anderson型的(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)通过获得，制备过程如下：

将(NH₄)₆Mo₇O₂₄﹒4H₂O水溶液加热至沸腾，向其中加入溶有镍盐的水溶液，混合液在蒸气浴上蒸发，趁热过滤热溶液，冷却至室温，让其自然析出晶体，得到Ni-Anderson杂多酸。；

实施例1

1)移取30mg的GO于去离子水中，超声30min，使GO均匀分散。然后加入0.15gAnderson型的(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)，超声15min溶解。

2)将上述分散液转移至100mL茄型瓶，在105℃条件下加热搅拌，回流冷凝12h。

3)反应结束后，将反应液降至室温，并用去离子水离心洗涤三次，弃去上清液，将GO/(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)的浓度浓缩为15mg/mL。

4)按照体积比为1：1，将50mg/mL的PVA溶液加入到3)中GO/(NH₃)₄(NiMo₆O₂₄H₆)中，然后混合均匀转移至1mL一次性针管中，在液氮氛围下冷冻8h。

5)将4)中得到的样品转移至冷冻干燥机冷冻干燥72h，干燥温度为-72℃，形成一个完整的块体。

6)将5)中的块体样品在氮气氛围下，以加热速率为5℃/min加热到500℃，再在500℃的条件下煅烧2h，最终得到产物C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-1。

通过此实施例步骤1)～6)得到的三维有序大孔C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-1纳米复合材料，其扫描电镜见图1，呈现蜂窝状结构，材料的比表面积大，当制备成超级电容器电极时，表现优异的电化学性能。

实施例2

说明：步骤1)～5)与实例1相同，不再赘述。

6)将步骤5)中的样品在氮气氛围下，600℃条件下煅烧，最终得到产物C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-2。

通过此实施例制备得到的三维有序大孔C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-2纳米复合材料，其扫描电镜见图2，呈现蜂窝状结构，且与实施例1相比较，片层较厚，说明PVA炭化程度增加，有利于导电率的增加，当制备成超级电容器电极时，表现优异的电化学性能。

实施例3

说明：步骤1)～5)与实例2相同，不再赘述。

6)将步骤5)中的样品在氮气氛围下，700℃条件下煅烧，最终得到产物C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-3。

通过此实施例制备得到的三维有序大孔C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-3纳米复合材料，其XRD图见图3，2θ为20～30°有一个大宽峰，是碳材料明显的特征峰，在14.3°、21.7°、25.3°、29.7°、32.6°、43.9°为NiMoO₄的特征衍射峰，制备的C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-3纳米复合材料呈现出很好的晶型。

实施例4

说明：步骤1)～5)与实例3相同，不再赘述。

6)将步骤5)中的样品在氮气氛围下，800℃条件下煅烧，最终得到产物C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-4。

通过此实施例步骤1)～6)得到的三维有序大孔C-NiMoO₄/还原氧化石墨烯-4纳米复合材料，空隙较多，比表面积大；当制备成超级电容器电极时，利用电化学工作站，三电极体系，KOH作为电解液，Ag/AgCl作为参比电极测试其电化学性能。

图4是实施例4制备的三维有序大孔碳包覆的NiMoO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料在电化学测试中的充放电图。在电流密度为0.5A>-1，1A>-1，2A>-1，5A>-1，10A>-1时，比电容分别达到1080F>-1，900F>-1，800F>-1，715F>-1，635F>-1。