专利名称：钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于薄膜超级电容器电极材料及其制备技术领域，特别是涉及一种高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料及其制备方法。
背景技术：
超级电容器是介于蓄电池和传统物理静电电容器之间的一种新型储能器件。与蓄电池相比，超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环使用寿命；与传统物理静电电容器相比，超级电容器则具有更高的能量密度。超级电容器可以独立作为电源使用，也可以与蓄电池组成复合电源系统，在通讯设备、医疗设备、电动车和军事等领域具有广阔的应用前景。
近年来，随着微电子器件的迅猛发展，人们对微型电源的需求迅速增加，薄膜电池、薄膜超级电容器等微型电源的研究与开发日益受到人们的关注与重视。薄膜超级电容器既可以独立作为微电源使用，也可以与薄膜电池组成复合微电源系统，以满足微电子器件在启动、加速及其他特殊条件下的瞬时大功率输出的要求。
薄膜电极材料是薄膜超级电容器的重要组成部分，是影响薄膜超级电容器性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能、低成本薄膜电极材料是薄膜超级电容器研究开发工作的重要内容。
在文献(1)Journal ofThe Electrochemical Society，2001，148(3)A275中，Jac HongLim等人以高纯度(99.99％)金属钌为靶材，采用一种特别设计的直流反应溅射装置将RuO2沉积在Pt/Ti/Si基片上，制成薄膜电极并组装成全固态超级电容器。该薄膜电极材料的初始比电容为38mF·cm-2·μm-1，循环500周后比电容衰减了53％。
在文献(2)Journal of Power Sources，2001，102167中，Han-Ki Kim等人以高纯度(99.99％)金属钴为靶材，采用与文献(1)相同的直流反应溅射装置将Co3O4沉积在Pt/Ti/Si基片上，制成薄膜电极并组装成全固态超级电容器。在优化条件下，该薄膜电极材料的初始比电容为25mF·cm-2·μm-1，循环400周后比电容衰减了60％。
在文献(3)Thin Solid Films，，47554中，Han-Ki Kim等人以高纯度(99.99％)金属钌和锡为靶材，采用一种特别设计的双靶直流反应溅射装置将RuO2-SnO2沉积在Pt/Ti/Si基片上制成薄膜电极，并在1mol·L-1的H2SO4水溶液中考察了其电化学性能，该薄膜电极材料的比电容为62.2mF·cm-2·μm-1，但未对其电化学循环性能进行研究。
文献(1)-(3)均为南韩同一研究组的工作，该薄膜电极材料的主要不足在于(a)薄膜电极材料中使用了钌、钴等价格昂贵的金属元素，并且使用高纯度金属作为靶材，原料成本高；(b)采用特殊设计的直流反应溅射装置，薄膜电极材料的制备方法较复杂；(c)薄膜电极材料利用率较低，比电容偏低，电化学循环性能较差。
在文献(4)Journal of the Electrochemical Society，，152(11)A2130中，本实验室Y.Wang等人合成了钴铝双羟基复合金属氧化物纳米粉体材料，与乙炔黑导电剂和聚四氟乙烯粘结剂按一定比例混合制成电极膜，电化学测试表明钴铝双羟基复合金属氧化物纳米粉体材料的质量比电容最高可达到684F·g-1，并且具有良好的大电流工作能力和电化学循环稳定性，超电容性能优良。但该工作的纳米粉体材料及其成膜方式不适宜制备薄膜电极材料，因此难以在薄膜超级电容器中应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料及其制备方法。该薄膜电极材料具有比电容高、倍率特性好、电化学循环性能佳等优点，可以用作薄膜超级电容器的电极材料。
该薄膜电极材料是由钴铝双羟基复合金属氧化物的纳米片平行于导电基片层层堆积而成，并且钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片的化学组成式为[Co2+1-xAl3+x(OH)2]x+，其中0.20≤x≤0.33；层间有客体阴离子平衡电荷。
该薄膜电极材料的制备方法是将甘氨酸插层的钴铝双羟基复合金属氧化物在甲酰胺中进行剥层，获得钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片溶胶，然后将该溶胶浇注到预先处理好的表面带负电荷的导电基片上，通过蒸发溶剂制备出钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜。
本发明的具体工艺步骤如下A层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片的制备将可溶性二价钴盐和可溶性三价铝盐，按Co2+/Al3+摩尔比为2～4的比例溶于脱CO2的去离子水中配成混合盐溶液，使Al3+的浓度为0.05～0.80mol·L-1；将NaOH溶于脱CO2的去离子水中配制成浓度为0.50～2.0mol·L-1的碱溶液。将上述两种溶液在N2保护下同时滴入到甘氨酸已脱CO2的去离子水溶液中，其中甘氨酸摩尔数为Al3+摩尔数的2～4倍，滴加过程中保持体系的pH值为8～12。将得到的浆液在N2保护下于40～100℃条件下晶化2～24小时，用脱CO2的去离子水洗涤，过滤，将滤饼在室温下真空干燥12～24小时，得到甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体。取一定质量的甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体，按粉体质量/甲酰胺体积＝1～5g·L-1的比例加入到相应体积的甲酰胺中，搅拌反应1～3小时得到澄清透明的溶胶。取0.1～0.2mL溶胶滴在毛玻璃片上，XRD谱图显示层状结构消失即可认为得到了层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片。
B高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料的制备取一定体积浓度为1.0～5.0g·L-1的层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片甲酰胺溶胶，按溶胶体积/导电基片面积＝0.1～1ml·cm-2的比例浇注到相应面积预先处理好的表面带有负电荷的导电基片上，在60～140℃温度下蒸发掉甲酰胺溶剂，即可制备出高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料。
步骤A所述的可溶性二价钴盐为硝酸钴Co(NO3)2、氯化钴CoCl2或硫酸钴CoSO4中的任意一种，可溶性三价铝盐为硝酸铝Al(NO3)3、氯化铝AlCl3或硫酸铝Al2(SO4)3中的任意一种。
步骤B所用的导电基片为氧化铟锡(ITO)基片或单晶硅基片中的一种。
采用日本岛津ICPS-7500型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定产物中钴和铝的含量，根据钴盐和铝盐投料的物质的量的比例不同，产物中Co/Al物质的量的比例为2～4；采用日本岛津XRD-6000型X射线粉末衍射仪(CuKα射线，λ＝1.5406)表征钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料及纳米片薄膜电极材料结构(见图1)，与钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料相比，纳米片薄膜电极材料的003和006特征峰高而尖锐，而110，113等特征峰几乎消失，表明钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜具有较高的结晶度，并且钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片是平行于导电基片层层堆积而成；采用日本日立S-4700型场发射扫描电镜观察样品的表面形貌及切面结构(见图2和图3)，薄膜样品堆积紧密，表面平整，厚度均一。
将采用本发明方法制备的钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极作为工作电极，Hg/HgO电极为参比电极，大面积铂丝为辅助电极，1mol·L-1的NaOH水溶液为电解液组装成三电极测试体系。利用德国ZAHNER公司IM6e电化学工作站进行循环伏安测试，电位扫描范围为0.00～0.60V(vs.Hg/HgO)，扫描速率5mV·s-1；采用武汉蓝电BTI1-10型电池测试仪进行恒电流充放电测试，充放电电压范围为0.00～0.55V(vs.Hg/HgO)，电流密度为25～500μA·cm-2。本发明产品的比电容在180mF·cm-2·μm-1以上，并且具有良好的倍率特性及电化学循环稳定性。
本发明的显著效果是钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料高取向、表面平整且厚度均一；纳米片薄膜电极材料具有比电容高、倍率特性好、电化学循环性能佳等优点，可以用作薄膜超级电容器电极材料。
图1.钴铝双羟基复合金属氧化物粉体及纳米片薄膜材料的X-射线衍射谱图横坐标-角度2θ，单位为°(度)；纵坐标-强度，单位为绝对单位(a.u.)。
曲线(a)-钴铝双羟基复合金属氧化物粉体的X-射线衍射谱图；曲线(b)-钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜的X-射线衍射谱图，黑色圆点标注的峰为氧化铟锡(ITO)基片的特征峰。
图2.钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极表面的场发射扫描电镜照片。
图3.钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极切面的场发射扫描电镜照片。
图4.钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极的循环伏安曲线。其中，横坐标-电压E，单位为毫伏(mV)，参比电极为Hg/HgO；纵坐标-电流I，单位为毫安(mA)。
图5.钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极在不同电流密度下的放电曲线。其中，横坐标-时间t，单位为秒(s)；纵坐标-电压E，单位为毫伏(mV)，参比电极为Hg/HgO。
具体实施例方式
实施例1将Co(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O按Co2+/Al3+＝3的比例溶于脱CO2的去离子水中配成50mL混合盐溶液，使Al3+的浓度为0.25mol·L-1；将NaOH溶于脱CO2的去离子水中配成浓度为1mol·L-1的碱溶液100mL。将上述两种溶液在N2保护下同时滴入到250mL浓度为0.1mol·L-1的甘氨酸已脱CO2的去离子水溶液中，滴加过程中保持体系的pH值为10(混合盐滴加完毕后，碱液有剩余)。所得浆液在密闭容器中40℃晶化6小时，用脱CO2的去离子水洗涤，过滤，将滤饼在室温干燥24小时，得到甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料。ICP测试表明产物中Co/Al的物质的量的比例为3；XRD测试表明产物具有良好的晶型，属六方晶系，钴铝双羟基复合金属氧化物的层状结构特征明显(见图1(a))。搅拌下将0.20g甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料加入到100mL甲酰胺溶液中，磁力搅拌1小时得到澄清的溶胶。取800μL所得的溶胶浇注到电极面积为2×2cm2的氧化铟锡(ITO)电极上，80℃蒸发掉甲酰胺溶剂后制备出高取向的钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极。场发射扫描电镜测试表明钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极表面平整，厚度均一，堆积紧密(见图2和图3)；电化学循环伏安测试表明薄膜电极的循环伏安曲线接近矩形，超电容特性明显(见图4)；25～250μA·cm-2电流密度下的充放电测试表明产物比电容为190～200mF·cm-2·μm-1，产物倍率特性好(见图5)，充放电2500周后比电容无明显衰减。
实施例2将Co(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O按Co2+/Al3+＝2的比例溶于脱CO2的去离子水中配成50mL混合盐溶液，使Al3+的浓度为0.6mol·L-1；将NaOH溶于脱CO2的去离子水中配成浓度为2mol·L-1的碱溶液200mL。将上述两种溶液在N2保护下同时滴入到250mL浓度为0.36mol·L-1甘氨酸已脱CO2的去离子水溶液中，滴加过程中保持体系的pH值为8(混合盐滴加完毕后，碱液有剩余)。所得浆液在密闭容器中100℃晶化24小时，用脱CO2的去离子水洗涤，过滤，将滤饼在室温干燥24小时，得到甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料。ICP测试表明产物中Co/Al的物质的量的比例为2；XRD测试表明产物具有良好的晶型，属六方晶系，钴铝双羟基复合金属氧化物的层状结构特征明显。搅拌下将0.40g甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物加入到100mL甲酰胺溶液中，磁力搅拌3小时得到澄清的溶胶。取1mL所得的溶胶浇注到电极面积为2×2cm2的氧化铟锡(ITO)电极上，120℃蒸发掉甲酰胺溶剂后制备出高取向的钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极。场发射扫描电镜测试表明钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极表面平整，厚度均一，堆积紧密；电化学循环伏安测试表明纳米片薄膜电极的循环伏安曲线接近矩形，超电容特性明显；100μA·cm-2电流密度下的充放电测试表明产物比电容为220mF·cm-2·μm-1，产物倍率特性好，充放电2500周后容量无明显衰减。
实施例3将Co(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O按Co2+/Al3+＝4的比例溶于脱CO2的去离子水中配成50mL混合盐溶液，使Al3+的浓度为0.1mol·L-1；将NaOH溶于脱CO2的去离子水中配成浓度为0.5mol·L-1的碱溶液200mL。将上述两种溶液在N2保护下同时滴入到250mL浓度为0.08mol·L-1甘氨酸已脱CO2的去离子水溶液中，滴加过程中保持体系的pH值为12(混合盐滴加完毕后，碱液有剩余)。所得浆液在密闭容器中80℃晶化16小时，用脱CO2的去离子水洗涤，过滤，将滤饼在室温干燥24小时，得到甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体材料。ICP测试表明产物中Co/Al的物质的量的比例为4；XRD测试表明产物具有良好的晶型，属六方晶系，钴铝双羟基复合金属氧化物的层状结构特征明显。搅拌下将0.10g甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体加入到100mL甲酰胺溶液中，磁力搅拌2小时得到澄清的溶胶。取100μL所得的溶胶浇注到电极面积为1×1cm2的单晶硅电极上，140℃蒸发掉甲酰胺溶剂后制备出高取向的钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极。场发射扫描电镜照片测试表明钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极表面平整，厚度均一，堆积紧密；电化学循环伏安测试表明纳米片薄膜电极的循环伏安曲线接近矩形，超电容特性明显；100μA·cm-2电流密度下的充放电测试表明产物比电容为180mF·cm-2·μm-1，产物倍率特性好，充放电2500周后容量无明显衰减。
权利要求
1.一种高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料，其特征在于由钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片平行于导电基片层层堆积而成，钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片的化学组成式为[Co2+1-xAl3+x(OH)2]x+，其中0.20≤x≤0.33；层间有阴离子平衡电荷。
2.一种制备权利要求1所述的高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料的方法，其特征在于工艺步骤为a层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片的制备将可溶性二价钴盐和可溶性三价铝盐，按Co2+/Al3+摩尔比为2～4的比例溶于脱CO2的去离子水中配成混合盐溶液，使Al3+的浓度为0.05～0.80mol·L-1；将NaOH溶于脱CO2的去离子水中配制成浓度为0.50～2.0mol·L-1的碱溶液；将上述两种溶液在N2保护下同时滴入到甘氨酸己脱CO2的去离子水溶液中，其中甘氨酸摩尔数为Al3+摩尔数的2～4倍，滴加过程中保持体系的pH值为8～12；将得到的浆液在N2保护下于40～100℃条件下晶化2～24小时，用脱CO2的去离子水洗涤，过滤，将滤饼在室温下真空干燥12～24小时，得到甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体；取一定质量的甘氨酸插层钴铝双羟基复合金属氧化物粉体，按粉体质量/甲酰胺体积＝1～5g·L-1的比例加入到相应体积的甲酰胺中，搅拌反应1～3小时得到澄清透明的溶胶；取0.1～0.2mL溶胶滴在毛玻璃片上，XRD谱图显示层状结构消，得到了层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片；b高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料的制备取体积浓度为1.0～5.0g·L-1的层板剥离钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片甲酰胺溶胶，按溶胶体积/导电基片面积＝0.1～1mL·cm-2的比例浇注到相应面积预先处理好的表面带有负电荷的导电基片上，在60～140℃温度下蒸发掉甲酰胺溶剂，制备出高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料。
3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤a所述的可溶性二价钴盐为硝酸钴Co(NO3)2、氯化钴CoCl2或硫酸钴CoSO4中的任意一种，可溶性三价铝盐为硝酸铝Al(NO3)3、氯化铝AlCl3或硫酸铝Al2(SO4)3中的任意一种。
4.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤b所用的导电基片为氧化铟锡ITO基片或单晶硅基片中的一种。
全文摘要
一种高取向钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜电极材料及其制备方法，属于薄膜超级电容器电极材料及其制备技术领域。该薄膜电极材料是由钴铝双羟基复合金属氧化物的纳米片平行于导电基片层层堆积而成，层间有阴离子平衡电荷。该薄膜电极材料的制备方法是将甘氨酸插层的钴铝双羟基复合金属氧化物在甲酰胺中进行剥层，获得钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片溶胶，然后将该溶胶浇注到预先处理好的表面带负电荷的导电基片上，通过蒸发溶剂制备出钴铝双羟基复合金属氧化物纳米片薄膜。优点在于该薄膜可以用作薄膜超级电容器的电极材料，比电容高、倍率特性好、电化学循环性能佳。
文档编号B82B1/00GK1917108SQ1008909
公开日2月21日 申请日期8月2日 优先权日8月2日
发明者杨文胜, 王毅, 段雪 申请人:北京化工大学
