本發(fā)明屬于儲(chǔ)能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的制備方法及其用途。

背景技術(shù)：

超級(jí)電容器(supercapacitor)，又叫電化學(xué)電容器(electrochemcial capacitor,EC)，是一種基于電極/溶液界面電化學(xué)過程的新型儲(chǔ)能裝置，它比傳統(tǒng)電容器具有更高的比電容和能量密度，比電池具有更高的功率密度和更長(zhǎng)的使用壽命，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。超級(jí)電容器因其具有功率密度高、充放電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、綠色環(huán)保和安全等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在動(dòng)力電源系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)以及諸多電子設(shè)備上。近年來，關(guān)于無機(jī)納米材料的研究報(bào)道眾多，尤其在光電催化、生物傳感、微電子器件、超級(jí)電容器、鋰離子電池等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。五氧化二鈮在光催化、鋰離子電池以及超級(jí)電容器等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，各種形貌的五氧化二鈮納米材料已經(jīng)被合成出來，包括納米線、納米帶、納米球。然而，以往對(duì)于五氧化二鈮基超級(jí)電容器的研究報(bào)道中，國(guó)內(nèi)外研究小組都是采用的有機(jī)電解液，電極制作過程需在高純氬氣環(huán)境的手套箱中進(jìn)行，含氧量和含水量均需低于1ppm，對(duì)設(shè)備的要求極其嚴(yán)苛且操作不便。因此，開發(fā)更廉價(jià)且電極制作和測(cè)試過程更加簡(jiǎn)易方便的水系超級(jí)電容器變得十分重要。與有機(jī)電解液相比，水相電解液的優(yōu)勢(shì)還在于其具有高離子濃度和低電阻，有利于提高電極材料的比電容量和功率密度。但是，發(fā)展簡(jiǎn)易可控的制備具有特定組成及形貌的五氧化二鈮電極材料仍然是很大的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種簡(jiǎn)易可靠的基于納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將一定量的五氯化鈮和乙酸鈉的粉體加入去離子水中，混合均勻，轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，加入FTO導(dǎo)電玻璃作為基底，經(jīng)水熱反應(yīng)后，將產(chǎn)物洗滌、干燥制得。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的制備方法，其具體操作步驟如下：

步驟1、五氧化二鈮前驅(qū)體混合液的制備：

稱取鈮源和乙酸鈉的粉體加入去離子水中，超聲均勻，得到五氧化二鈮前驅(qū)體混合液，待用；

步驟2、納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的制備：

將步驟1中的五氧化二鈮前驅(qū)體混合液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，再將一片預(yù)處理好的FTO基片加入到反應(yīng)釜中，并且使FTO基片的導(dǎo)電面朝上，密封，將反應(yīng)釜置于烘箱中，進(jìn)行恒溫?zé)岱磻?yīng)，反應(yīng)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，取出FTO基片沖洗、真空干燥，即得納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料。

步驟1中，制備五氧化二鈮前驅(qū)體混合液時(shí)，所使用的鈮源、乙酸鈉和去離子水的用量比為3mmol:15mmol:80mL。

步驟1中，所述的鈮源為五氯化鈮或硝酸鈮。

步驟2中，F(xiàn)TO基片的預(yù)處理方法為：將FTO基片切割成寬長(zhǎng)分別為1.5厘米×2厘米的小塊，然后將其依次分別置于丙酮溶液、乙醇溶液、去離子水中，各超聲處理15分鐘；處理好后置于真空干燥箱中干燥，待用。

步驟2中，所述的恒溫?zé)岱磻?yīng)的溫度為180～200℃，反應(yīng)時(shí)間為8～12h。

將制備好的納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料用于電化學(xué)測(cè)試：

將所制備的納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為對(duì)電極，LiOH水溶液為電解液組成三電極體系進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，通過不同掃速的循環(huán)伏安、不同電流密度的恒流充放電和交流阻抗等方法測(cè)試上述電極材料的比電容量、倍率性能和循環(huán)性能。

所述的電解液是濃度為2mol/L的LiOH水溶液。

有益效果：

1、本發(fā)明提供了一種一步水熱法制備納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的方法，采用本發(fā)明制備的五氧化二鈮納米顆粒尺寸較小，粒度分布均勻。

2、本發(fā)明中采用的電解液為L(zhǎng)iOH水溶液，與以往研究報(bào)道中五氧化二鈮基超級(jí)電容器均采用的有機(jī)電解液相比，其價(jià)格低廉和環(huán)保，并且電極制作及測(cè)試過程操作更加簡(jiǎn)便。本方法所制備的納米五氧化二鈮/FTO薄膜電極材料具有高的比電容值、良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

3、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，原材料成本低，無毒無害，符合環(huán)境友好的要求，便于大批量生產(chǎn)，有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所得納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的X射線粉末衍射分析圖(XRD)；其中曲線a為納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的XRD圖；曲線b為純FTO材料的XRD圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的掃描電鏡圖(SEM)；其中圖a為納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的低倍率SEM圖；圖b為納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的高倍率SEM圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所得納納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果；其中圖a為不同掃速下電極的循環(huán)伏安曲線；圖b為不同掃描速度下電極的比電容；圖c為不同電流密度下電極的恒流放電曲線；圖d為不同電流密度下電極的比電容；圖e為在100mV s^-1的掃描速率下電極的歸一化比電容與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受限于這些實(shí)例。

實(shí)施例1：

將FTO基片切割成寬長(zhǎng)分別為1.5厘米×2厘米的小塊，然后將其依次分別置于丙酮溶液、乙醇溶液、去離子水中，各超聲處理15分鐘；處理好后置于真空干燥箱中干燥，待用。

將1.5mmol的五氯化鈮和7.5mmol乙酸鈉的粉體加入40mL去離子水，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲10分鐘使其混合均勻，然后倒入50mL聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，將一片預(yù)處理好的FTO基片導(dǎo)電面朝上加入到上述反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為200℃，反應(yīng)8小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，取出FTO基片沖洗、真空干燥，即得納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料。

圖1中除了基底FTO的衍射峰外，其他各衍射峰位置和相對(duì)強(qiáng)度均與JPCDS卡片(28-0317)相吻合，表明產(chǎn)物為類六方晶型的五氧化二鈮。從圖2可以看出制備的五氧化二鈮納米顆粒尺寸約為50納米。

利用所制備的納米五氧化二鈮/FTO薄膜材料作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為對(duì)電極，2mol/L的LiOH水溶液為電解液組成三電極體系進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。圖3中的測(cè)試結(jié)果表明，納米五氧化二鈮/FTO薄膜電極材料在5mV s^-1掃描速率下的最大比電容值可達(dá)281.9F g^-1，并表現(xiàn)出較好的倍率性能，在100mV s^-1掃描速率下的比電容值為258.1F g^-1，是前者的91.6％；測(cè)試結(jié)果還表明其具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過3000次充放電循環(huán)之后的電容保持率為74.3％。

實(shí)施例2：

FTO基片的預(yù)處理方式同實(shí)施例1。

將1.5mmol的硝酸鈮和7.5mmol乙酸鈉的粉體加入40mL去離子水，置于100ml燒杯中，放入超聲儀中超聲10分鐘使其混合均勻，然后倒入50mL聚四氟乙烯襯底的反應(yīng)釜中，將一片預(yù)處理好的FTO基片導(dǎo)電面朝上加入到上述反應(yīng)釜中，密封，置于烘箱中，控制烘箱的溫度為180℃，反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，取出FTO基片沖洗多次、真空干燥，即得納米五氧化二鈮/FTO水系超級(jí)電容器電極材料。

本發(fā)明中FTO導(dǎo)電玻璃所制成的FTO基片既可作為基底又可作為電極的集流體。