一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列、制備方法及其應(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，具體涉及一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列、制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展以及電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，超級電容器電極材料的研宄已經(jīng)引起了研宄者們的極大興趣。目前，傳統(tǒng)的超級電容器電極材料主要有以下幾類:碳材料類電極材料、導(dǎo)電聚合物類電極材料、金屬氧化物類電極材料。
[0003]然而，在實(shí)際應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的電極材料或多或少都存在各自的缺陷，如:活性面積小，導(dǎo)電性差、電容量低，循環(huán)時(shí)間短，能量密度和功率密度小，由于這些缺陷的存在，很難滿足現(xiàn)實(shí)中更高的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列，以四氧化三鈷納米線為骨架，在其外部包覆鉬酸鈷納米薄膜材料。
[0005]本發(fā)明還提供了一種兩步法可控制備四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的方法。
[0006]本發(fā)明還提供了一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明提供的一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列，以四氧化三鈷納米線為骨架，在其外部包覆鉬酸鈷納米薄膜材料，該結(jié)構(gòu)垂直生長、排列整齊，具有規(guī)則的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明提供的一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0009]a、清洗泡沫鎳；
[0010]b、將六水氯化鈷、氟化銨、尿素溶解于二次蒸餾水中混合均勻，得到混合液，放入反應(yīng)釜中，清洗后的泡沫鎳浸入混合液中，密封反應(yīng)，冷卻、清洗、干燥、煅燒，得到生長著四氧化三鈷納米線陣列的泡沫鎳；
[0011]c、將二水鉬酸鈉、尿素溶解于二次蒸餾水中得到混合液，放入反應(yīng)釜中，生長著四氧化三鈷納米線陣列的泡沫鎳浸入混合液中，密封反應(yīng)，冷卻、清洗、干燥，煅燒，得到四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列。
[0012]步驟a中清洗方法為:將表面有雜質(zhì)的泡沫鎳依次放入稀鹽酸、乙醇、二次蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗，超聲清洗時(shí)間分別為10-20min。
[0013]進(jìn)一步的，步驟b為:將六水氯化鈷、氟化銨、尿素按加入二次蒸餾水中混合均勻，得到混合液，加入反應(yīng)釜中，將清洗后表面潔凈的泡沫鎳浸入混合液中，反應(yīng)釜密閉，加熱反應(yīng)，冷卻至室溫，依次用乙醇、二次蒸餾水沖洗干凈，室溫干燥，然后在300-400°C空氣氛下煅燒3h，即制得四氧化三鈷納米線陣列；
[0014]步驟b中氟化銨在混合液中濃度彡0.008mol L_\六水氯化鈷的濃度彡0.002molL_\尿素的濃度多0.0lmol L—1，二次蒸餾水的體積多35mL ;所述加熱反應(yīng)條件為在100°C下反應(yīng)8h。
[0015]進(jìn)一步的，步驟c為:將二水鉬酸鈉、尿素按二次蒸餾水中攪拌，形成均勻，得混合溶液，將步驟b制備的生長著四氧化三鈷納米線陣列的泡沫鎳浸入混合溶液中，一同放入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜密閉，加熱反應(yīng)，冷卻至室溫，乙醇清洗，室溫干燥，然后在300°C空氣氛下煅燒3h，得到四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列。
[0016]步驟c中二水鉬酸鈉在混合溶液中濃度為0.001-0.2mol L—1，尿素的濃度彡0.0Olmol Γ1;所述加熱反應(yīng)條件為在100-200°C下反應(yīng)2_20h。
[0017]本發(fā)明提供的一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列，作為超級電容器的電極材料的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明提供的一種兩步法制備四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的方法，是在密閉的高溫高壓反應(yīng)釜中，采用二次蒸餾水作為反應(yīng)溶劑，加入六水氯化鈷、氟化銨、尿素混合均勻，通過加熱反應(yīng)體系，產(chǎn)生一個(gè)高壓環(huán)境而制備四氧化三鈷納米線材料，隨后，采用二次蒸餾水作為反應(yīng)溶劑，加入二水鉬酸鈉、尿素混合均勻，將含有的四氧化三鈷納米線材料的泡沫鎳浸入混合溶液，通過加熱反應(yīng)體系產(chǎn)生高壓環(huán)境而制備鈷四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的一種有效方法。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備方法產(chǎn)物純度高、分散性好、晶形好且可控制，生產(chǎn)成本低，重現(xiàn)性好。所制備出的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列生長在泡沫鎳上，可直接作為超級電容器的電極材料，實(shí)現(xiàn)了長的循環(huán)穩(wěn)定性、大的具體電容、高的能量密度和功率密度，而且和多孔的鎳鈷雙金屬氫氧化物組裝成柔性的非對稱超級電容器，進(jìn)一步增大了電壓范圍，提高了能量密度和功率密度，很容易的將商業(yè)用途的LED燈點(diǎn)亮，在能量存儲方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0020]圖1為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷納米線材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0021]圖2為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0022]圖3為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的X射線衍射照片(XRD)；
[0023]圖4為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的透射電鏡照片(TEM)；
[0024]圖5為實(shí)施例2制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0025]圖6為實(shí)施例3制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0026]圖7為實(shí)施例4制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0027]圖8為實(shí)施例5制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0028]圖9為實(shí)施例6制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0029]圖10為實(shí)施例7制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的掃描電子顯微鏡照片(SEM);
[0030]圖11為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料的循環(huán)伏安曲線(CV)；
[0031]圖12為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料與四氧化三鈷納米材料的充放電曲線對比圖；
[0032]圖13為實(shí)施例1制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列材料與四氧化三鈷納米線材料的能量密度-電流密度曲線對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1
[0034]—種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0035]a、將表面有雜質(zhì)的泡沫鎳依次放入稀鹽酸、乙醇、二次蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗20min ；
[0036]b、將40mL 二次蒸懷水、2mmol六水氯化鈷、4mmol氟化鞍和1mmol尿素混合均勻后加入60mL反應(yīng)釜中，將處理過的泡沫鎳浸入混合液中，倒入反應(yīng)釜中，擰緊釜蓋，在100°C下反應(yīng)8h，取出反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，依次用乙醇、二次蒸餾水沖洗干凈，室溫干燥，在400°C空氣氛下煅燒3h，即制得四氧化三鈷納米線材料。
[0037]c、將Immol 二水鉬酸鈉和1mmol尿素溶解于40mL 二次蒸餾水中，磁力攪拌20min，形成均勻的混合溶液，將上述制備的長有未煅燒的四氧化三鈷納米線陣列前驅(qū)的泡沫鎳浸入混合溶液，倒入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜密閉，在100 °C下反應(yīng)10h，冷卻至室溫，乙醇清洗，然后在300°C下煅燒3h，即制得四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列。
[0038]—種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的應(yīng)用，作為超級電容材料的應(yīng)用。
[0039]所制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線復(fù)合材料的形貌如圖2所示，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料垂直生長在泡沫鎳的表面，且排列均勻，呈三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0040]取1mL 3M NaOH溶液作為電解質(zhì)溶液放入電解槽中，將實(shí)施例1中制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線復(fù)合材料作為工作電極，在掃速為5mV s—1時(shí)測循環(huán)伏安曲線，而后在掃速為1mV s—1時(shí)測循環(huán)伏安曲線，依次類推得到掃速為20mV s^\50mV s'10mV s_\如圖9，從得到的CV圖可以看出，隨著掃速的增加電壓呈線性關(guān)系。
[0041 ] 取1mL 3M NaOH溶液作為電解質(zhì)溶液放入電解槽中，將實(shí)施例1中制備的四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線復(fù)合材料和四氧化三鈷納米線作為工作電極，在IA g—1時(shí)得到充放電曲線，如圖10，從充放電曲線可以得出四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管復(fù)合材料作為電極相比其它材料容量很大，通過計(jì)算在電流密度為IA g—1時(shí)，最大的具體電容為 1112.51F g—1。
[0042]實(shí)施例2
[0043]一種四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0044]a、將表面有雜質(zhì)的泡沫鎳依次放入稀鹽酸、乙醇、二次蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗20min ；
[0045]b、將40mL 二次蒸懷水、2mmol六水氯化鈷、4mmol氟化鞍和1mmol尿素混合均勻后加入60mL反應(yīng)釜中，將處理過的泡沫鎳浸入混合液中，倒入反應(yīng)釜中，擰緊釜蓋，在100°C下反應(yīng)8h，取出反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，依次用乙醇、二次蒸餾水沖洗干凈，室溫干燥，在400°C空氣氛下煅燒3h，即制得四氧化三鈷納米線材料。
[0046]c、將Immol 二水鉬酸鈉和1mmol尿素溶解與于40mL 二次蒸餾水中，磁力攪拌20min，形成均勻的混合溶液，將上述制備的長有未煅燒的四氧化三鈷納米線陣列前驅(qū)的泡沫鎳浸入混合溶液，倒入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜密閉，在100°C下反應(yīng)2h，冷卻至室溫，乙醇清洗，然后在300°C下煅燒3h，即制得四氧化三鈷、鉬酸鈷核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)