一種鈷酸鎳納米材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈷酸鎳納米材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]鈷酸鎳(NiCo204)是一種尖晶石相結(jié)構(gòu)的ΑΒ204型復(fù)合氧化物，其在晶體結(jié)構(gòu)中，鎳離子占據(jù)八面體位置，鈷離子既占有八面體位置又占據(jù)四面體位置。相比于單一的氧化鎳和四氧化三鈷，鈷酸鎳本身具有較好的導(dǎo)電性。除此之外，鈷酸鎳具有較高的電化學(xué)性能，生產(chǎn)成本低，原料充足和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，吸引了研究學(xué)者的普遍關(guān)注，在德國(guó)的《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志(2015年，54卷1868頁(yè))有過(guò)報(bào)道。目前，已有文獻(xiàn)報(bào)道制備鈷酸鎳的方法有:高溫固相法、溶膠-凝膠法、機(jī)械化學(xué)合成法、液相化學(xué)沉淀法等，但此類方法制備的鈷酸鎳顆粒分布不均勻，分散性不好，產(chǎn)量低，并且制作方法較為繁瑣復(fù)雜。目前，制備使用比較普遍的方法是水(溶劑)熱法，因其具有工藝簡(jiǎn)單易行、能量消耗相對(duì)較小、且產(chǎn)物易于控制、反應(yīng)時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn)。在美國(guó)的《納米快報(bào)》雜志(2013年，13卷3135頁(yè))和德國(guó)的《先進(jìn)材料》雜志(2013年，25卷976頁(yè))有過(guò)報(bào)道，專利CN201210222916.2也公開了鈷酸鎳的合成方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種鈷酸鎳納米材料的制備方法，應(yīng)用該方法制備得到的納米材料產(chǎn)量大、純度高、比表面積大，比容量達(dá)到1820F/g。
[0004]本發(fā)明提供一種鈷酸鎳納米材料的制備方法，步驟如下:
[0005](1)將 Ni (N03) 2.6H20 和 Co (N03) 2.6H20 溶解在 1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和水的混合溶劑中，再向其中加入尿素使其完全溶解，得到混合溶液；所述1，2-丙二醇、1，3-丙二醇與水的體積比為3:1:26-36 ；
[0006](2)將得到的混合溶液在反應(yīng)釜中恒溫反應(yīng)一段時(shí)間，攪拌速度為250-280r/min，攪拌過(guò)程是用磁子攪拌；洗滌，烘干，得到鈷酸鎳納米材料前驅(qū)體；
[0007](3)將前驅(qū)體在空氣中經(jīng)290_330°C恒溫?zé)崽幚砗?，得到鈷酸鎳納米材料。
[0008]本申請(qǐng)人經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)加入1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和水作為溶劑，且三者之間的體積比為3:1:26-36時(shí)，能夠制備得到一種比表面積和比容量大的鈷酸鎳納米材料，比容量達(dá)到1820F/g。
[0009]作為優(yōu)選，所述混合溶液中鎳原子與鈷原子的物質(zhì)的量比為0.97-1.04:2。鎳離子與鈷離子的摩爾比為1:2時(shí)，鈷鎳原子正好全部形成NiCo204，但不排除工藝條件限制使鈷鎳原子損失，此時(shí)可以適當(dāng)調(diào)整兩者配比，但是需要使其在0.97-1.04:2之間。
[0010]作為優(yōu)選，步驟(1)中所述Ni(N03)2.6H20、Co (N03)2.6H20和尿素的摩爾比為1:2: (10-15)，鎳離子在所述混合溶液中的摩爾濃度為0.25mol/L0
[0011]鎳離子和鈷離子濃度的大小也會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)鎳離子在混合溶液中的摩爾濃度為0.25mol/L時(shí)，得到的產(chǎn)品的比表面積和比容量值最大。
[0012]作為優(yōu)選，步驟(2)中混合溶液在反應(yīng)釜中恒溫反應(yīng)的溫度為125_160°C，反應(yīng)時(shí)間為15-22小時(shí)。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述洗滌是先用去離子水洗滌3次，再用無(wú)水乙醇洗滌3次。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述烘干是在63-74°C下真空恒溫干燥10_15h。
[0015]本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述任一方法制備得到的鈷酸鎳納米材料。
[0016]本發(fā)明還提供上述鈷酸鎳納米材料在制備超級(jí)電容器電極中的應(yīng)用。
[0017]本發(fā)明以Ni (Ν03)2.6H20 和 Co (N03)2.6H20 為反應(yīng)原料，以 1，2_ 丙二醇、1，3-丙二醇和水為混合溶劑，以尿素為沉淀劑，通過(guò)溶劑熱法制備得到前驅(qū)體后，進(jìn)而制備得到一種NiCo204納米材料，純度高、比表面積大(68m 2/g)，比容量高，制備方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)品成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)于NiCo204的進(jìn)一步開發(fā)、應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用。
[0018]本發(fā)明的鈷酸鎳納米材料在充放電測(cè)試中，電流密度為lA/g時(shí)，比容量值達(dá)到了比較高的值1820F/g，電流密度為2A/g時(shí)，比容量值為1390F/g ;經(jīng)過(guò)3500次充放電測(cè)試之后比容量仍保持在92%以上，能夠作為超級(jí)電容器電極材料使用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0020]圖1是實(shí)施例1中制備的鈷酸鎳納米材料的X-射線衍射圖，其中:橫坐標(biāo)是衍射角度(2 Θ )，縱坐標(biāo)是相對(duì)衍射強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下的實(shí)施例僅為本發(fā)明的較優(yōu)實(shí)施例，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限定。下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。實(shí)驗(yàn)中所用原料:Ni (Ν03)2.6H20和Co (N03)2.6H20均為分析純。
[0022]實(shí)施例1
[0023]本發(fā)明的鈷酸鎳納米材料的制備方法步驟如下:
[0024](1)將 2.98祖(勵(lì)3)2*6!120(含鎳離子0.0111101)和 5.8g Co (Ν03) 2.6Η20 (含鈷離子
0.02mol)溶解在1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和水的混合溶劑中，1，2-丙二醇的體積為3ml，1，3-丙二醇的體積為1ml，去離子水的體積為36ml，再向其中加入6.0g尿素使其完全溶解，得到混合溶液；
[0025](2)將得到的混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加熱至145°C恒溫反應(yīng)19h，攪拌速度為270r/min,攪拌過(guò)程是用磁子攪拌；待反應(yīng)結(jié)束后將前驅(qū)體溶液冷卻至室溫，將所得產(chǎn)物先用去離子水洗滌3次，再用無(wú)水乙醇洗滌3次，并在70°C條件下真空恒溫干燥13h，得到鈷酸鎳納米材料前驅(qū)體；
[0026](3)將所得前驅(qū)體置于管式爐中在空氣中經(jīng)310°C恒溫?zé)崽幚?h后，得到鈷酸鎳納米材料。熱處理的升溫速度為l°c /分鐘。
[0027]將上述制備的鈷酸鎳納米材料進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電流密度為lA/g時(shí)，比容量值達(dá)至|J了比較高的值1820F/g，電流密度為2A/g時(shí)，比容量值為1390F/g ;經(jīng)過(guò)3500次充放電測(cè)試之后比容量仍保持在92%以上。
[0028]實(shí)施例2
[0029]本發(fā)明的鈷酸鎳納米材料的制備方法步驟如下:
[0030](1)將 2.9gNi (Ν03)2.6H20(含鎳離子 0.0lmol)和 5.8g Co (N03) 2.6H20(含鈷離子0.02mol)溶解在1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和水的混