專利名稱：一種氧化鎳納米棒陣列材料、制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鎳納米棒陣列材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于無機(jī)先進(jìn)納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器具有很高的功率密度、較高的能量密度、超長的循環(huán)壽命、對(duì)環(huán)境無污染、以及能在低壓下操作等優(yōu)點(diǎn)[中國科技信息，2010，17 :36]，有望成為21世紀(jì)新型的綠色能源。眾所周知，無定型水合氧化釕是高功率高能量密度超級(jí)電容器最有希望的電極材料，但它價(jià)格昂貴、資源匱乏[Nano Lett. 2006，6，26904695]，所用電解質(zhì)污染環(huán)境，大大限制了商業(yè)開發(fā)。而氧化鎳具備電化學(xué)性能優(yōu)良、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，近期在超電容領(lǐng)域引起了廣泛研究和關(guān)注。此外由于納米材料的形貌、尺寸對(duì)于其性能起著決定性的作用，因此，大面積的均一結(jié)構(gòu)和尺寸的氧化鎳納米材料成為了國內(nèi)外研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段，多種氧化鎳納米薄膜的合成以及其超電容性質(zhì)已被報(bào)導(dǎo)，如氧化鎳與二氧化鈦復(fù)合薄膜[Nano Lett. 2010，10，4099-4104]，氧化鎳三維結(jié)構(gòu)薄膜[Chem. Commun.， 2008,6537-6539]等。其制備方法一般采用均相沉淀法[Electrochim. Acta, 2008, 53 3427-；34；35]、反相膠團(tuán)法[Solid State Sci.，2006，8 :425-430]、陰極或陽極電沉積法 [Electrochimi. Acta,2002,47 :3201-3209 J. of Power Sources,2006，159 :365-369]、電泳沉積[J. of Power Sources, 2009,186 :557-564]等。這些氧化鎳納米薄膜的制備方法被廣泛采用，但是它們都具有一定顯而易見的局限性，如有的需要相對(duì)較高的合成溫度，有的產(chǎn)物結(jié)晶度較差，表面易殘留雜質(zhì)；有的對(duì)環(huán)境具有明顯的污染；有的不容易實(shí)現(xiàn)粒度的大小及分布的控制。而陣列化的產(chǎn)物具有結(jié)構(gòu)均一，無團(tuán)聚，相對(duì)表面積大的特點(diǎn)被許多工作者廣泛關(guān)注。因此發(fā)展出一種操作簡單，效率高、成本低，環(huán)境友好的制備方法，獲得結(jié)構(gòu)均一、排列規(guī)整、可控性好等特點(diǎn)的氧化鎳陣列式，具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種陣列式氧化鎳納米棒及其制備方法，為一種泡沫鎳基片上生長氧化鎳納米棒陣列式的制備方法，本發(fā)明的陣列式氧化鎳可用作超級(jí)電容材料。此發(fā)明方法無需使用模板和表面活性劑，利用水熱條件下鎳鹽的水解反應(yīng)，在泡沫鎳基底上非常簡單地制備致密均勻的氧化鎳納米棒有序陣列。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，效率高、 成本低，環(huán)境友好、重復(fù)性好等特點(diǎn)，而且產(chǎn)品具有整體式、結(jié)構(gòu)均一、排列規(guī)整、形貌可控等特點(diǎn)。同時(shí)，制備的氧化鎳納米棒陣列形貌均一，豎直生長，長度為100-800納米，寬度為 5-30納米。此外，這種一體式的產(chǎn)品具有很大的電容值，在高電流密度下也能很好的保持， 循環(huán)性能很好，是一種具有極大應(yīng)用前景的超級(jí)電容器材料。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種氧化鎳納米棒陣列材料，其特征在于，氧化鎳納米棒豎直有序地生長在泡沫鎳基底上，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。
利用在泡沫鎳片上生長氧化鎳納米棒陣列的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a.取泡沫鎳基片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.將可溶性鎳鹽和尿素溶解于去離子水中得到，充分?jǐn)嚢柚脸吻迦芤?，得到鎳鹽濃度為0. 05-0. 45摩爾/升，尿素濃度為0. 14-0. 58摩爾/升的溶液；C.將步驟a處理過的泡沫鎳片斜置放入反應(yīng)釜中，再將步驟b中獲得的溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，水熱反應(yīng)溫度為70-140°C，反應(yīng)時(shí)間為2-48小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫；d.將反應(yīng)釜中的泡沫鎳片取出，用水、乙醇沖洗，并用水和乙醇分別超聲清洗；e.將步驟d獲得的產(chǎn)物放入烘箱直至烘干，然后煅燒，煅燒溫度為150-350°C，煅燒時(shí)間為30-500分鐘，即可得到泡沫鎳上生長的氧化鎳納米棒陣列薄膜。步驟b中的可溶性鎳鹽包括六水合硝酸鎳，七水合硫酸鎳，六水合氯化鎳。本發(fā)明的氧化鎳納米棒陣列材料用作超級(jí)電容器材料。本發(fā)明是在泡沫鎳片上基底上直接生長出有序致密的氧化鎳納米棒陣列，該方法是在簡單的水熱條件下合成，方法簡便，成本低廉，重復(fù)性好；沒有采用任何的有機(jī)溶劑和表面活性劑，對(duì)環(huán)境非常友好；所獲得的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均一、有序排列，更為重要是這是一個(gè)整體式材料，具有很好的分離、導(dǎo)電等性質(zhì)；此外通過控制溶液中鎳鹽的種類和濃度，可以合成出具有不同尺寸大小和疏密程度的納米棒陣列，實(shí)現(xiàn)材料的形貌可控。由于該合成產(chǎn)品具有如上的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，以致出現(xiàn)了相應(yīng)很好的超電容特質(zhì)(電容值大，循環(huán)性好，在高低電流密度下能很好得保持)，其將在超級(jí)電容器、催化、電催化、電吸附等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中氧化鎳納米棒陣列的掃描電鏡照片。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中氧化鎳納米棒陣列的XRD譜圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中氧化鎳納米棒陣列的電容特性圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中氧化鎳納米棒陣列的電容循環(huán)圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中氧化鎳納米棒陣列的掃描電鏡照片。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中氧化鎳納米棒陣列的XRD譜圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例3中氧化鎳納米棒陣列的掃描電鏡照片。圖8是本發(fā)明實(shí)施例4中氧化鎳納米棒陣列的掃描電鏡照片。圖9是本發(fā)明實(shí)施例5中氧化鎳納米棒陣列的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明實(shí)施例1 a.取泡沫鎳片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；
b.配制六水合硝酸鎳濃度為0. 143摩爾/升和尿素濃度為0. 286摩爾/升的溶液，充分?jǐn)嚢璧玫骄环€(wěn)定溶液；c.將步驟a獲得的泡沫鎳片斜置放入40毫升具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再將步驟b中溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中在100°C下水熱12h，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫，冷卻時(shí)間小于15分鐘；d.將反應(yīng)釜中的鎳片取出，用水和乙醇沖洗，最后在水和乙醇中分別超聲清洗；e.將步驟d所獲得的產(chǎn)物放入100°C烘箱中烘干他，然后放入管式爐中在300°C 下煅燒180分鐘，即可得到在泡沫鎳片上豎直有序生長的氧化鎳納米棒陣列，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。其掃描電鏡照片參見圖1，XRD參見圖2，電容特性圖見圖3，電容循環(huán)圖見圖4。實(shí)施例2a.取泡沫鎳片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.配制六水合氯化鎳濃度為0. 05摩爾/升和尿素濃度為0. 14摩爾/升的溶液， 充分?jǐn)嚢璧玫骄环€(wěn)定溶液；c.將步驟a獲得的泡沫鎳片斜置放入40毫升具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再將步驟b中溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中在70°C下水熱48h，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫，冷卻時(shí)間小于15分鐘；d.將反應(yīng)釜中的鎳片取出，用水和乙醇沖洗，最后在水和乙醇中分別超聲清洗；e.將步驟d所獲得的產(chǎn)物放入100°C烘箱中烘干他，然后放入管式爐中在350°C 下煅燒30分鐘，即可得到在泡沫鎳片上豎直有序生長的氧化鎳納米棒陣列，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。其掃描電鏡照片參見圖5，XRD參見圖6，電容特性、電容循環(huán)圖與實(shí)施例1基本一致。實(shí)施例3a.取泡沫鎳片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.配制七水合硫酸鎳濃度為0. 43摩爾/升和尿素濃度為0. 58摩爾/升的溶液， 充分?jǐn)嚢璧玫骄环€(wěn)定溶液；c.將步驟a獲得的泡沫鎳片斜置放入40毫升具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再將步驟b中溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中在140°C下水熱2h，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫，冷卻時(shí)間小于15分鐘；d.將反應(yīng)釜中的鎳片取出，用水和乙醇沖洗，最后在水和乙醇中分別超聲清洗；e.將步驟d所獲得的產(chǎn)物放入100°C烘箱中烘干他，然后放入管式爐中在150°C 下煅燒500分鐘，即可得到在泡沫鎳片上豎直有序生長的氧化鎳納米棒陣列，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。其掃描電鏡照片參見圖7，XRD、電容特性和電容循環(huán)圖與實(shí)施例1基本一致。實(shí)施例5a.取泡沫鎳片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.配制六水合硝酸鎳濃度為0. 143摩爾/升和尿素濃度為0. 286摩爾/升的溶液，充分?jǐn)嚢璧玫骄环€(wěn)定溶液；c.將步驟a獲得的泡沫鎳片斜置放入40毫升具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再將步驟b中溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中在120°C下水熱Mh，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫，冷卻時(shí)間小于15分鐘；d.將反應(yīng)釜中的鎳片取出，用水和乙醇沖洗，最后在水和乙醇中分別超聲清洗；e.將步驟d所獲得的產(chǎn)物放入100°C烘箱中烘干他，然后放入管式爐中在250°C 下煅燒240分鐘，即可得到在泡沫鎳片上豎直有序生長的氧化鎳納米棒陣列，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為10-30納米。其掃描電鏡照片參見圖8，XRD、電容特性和電容循環(huán)圖與實(shí)施例1基本一致。實(shí)施例5a.取泡沫鎳片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.配制六水合硝酸鎳濃度為0. 286摩爾/升和尿素濃度為0. 58摩爾/升的溶液， 充分?jǐn)嚢璧玫骄环€(wěn)定溶液；c.將步驟a獲得的泡沫鎳片斜置放入40毫升具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再將步驟b中溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中在110°C下水熱18h，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫，冷卻時(shí)間小于15分鐘；d.將反應(yīng)釜中的鎳片取出，用水和乙醇沖洗，最后在水和乙醇中分別超聲清洗；e.將步驟d所獲得的產(chǎn)物放入100°C烘箱中烘干他，然后放入管式爐中在200°C 下煅燒420分鐘，即可得到在泡沫鎳片上豎直有序生長的氧化鎳納米棒陣列，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為10-30納米。其掃描電鏡照片參見圖9，XRD、電容特性和電容循環(huán)圖與實(shí)施例1基本一致。
權(quán)利要求
1.一種氧化鎳納米棒陣列材料，其特征在于，氧化鎳納米棒豎直有序地生長在泡沫鎳基底上，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。
2.在泡沫鎳片上生長氧化鎳納米棒陣列材料的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a.取泡沫鎳基片，放入濃鹽酸中超聲洗滌，然后轉(zhuǎn)移至去離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；b.將可溶性鎳鹽和尿素溶解于去離子水中得到，充分?jǐn)嚢柚脸吻迦芤?，得到鎳鹽濃度為0. 05-0. 45摩爾/升，尿素濃度為0. 14-0. 58摩爾/升的溶液；c.將步驟a處理過的泡沫鎳片斜置放入反應(yīng)釜中，再將步驟b中獲得的溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，水熱反應(yīng)溫度為70-140°C，反應(yīng)時(shí)間為2-48小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫；d.將反應(yīng)釜中的泡沫鎳片取出，用水、乙醇沖洗，并用水和乙醇分別超聲清洗；e.將步驟d獲得的產(chǎn)物放入烘箱直至烘干，然后煅燒，煅燒溫度為150-350°C，煅燒時(shí)間為30-500分鐘，即可得到泡沫鎳上生長的氧化鎳納米棒陣列。
3.按照權(quán)利要求2的制備方法，其特征在于，步驟b中可溶性鎳鹽為六水合硝酸鎳，七水合硫酸鎳，六水合氯化鎳，檸檬酸鎳，醋酸鎳。
4.權(quán)利要求1的一種氧化鎳納米棒陣列材料用作超級(jí)電容器材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化鎳納米棒陣列材料、制備方法及其應(yīng)用，屬于無機(jī)先進(jìn)納米材料技術(shù)領(lǐng)域。氧化鎳納米棒豎直有序地生長在泡沫鎳基底上，氧化鎳納米棒長度為100-800納米，寬度為5-30納米。將泡沫鎳基片，分別放入濃鹽酸、離子水和乙醇中，分別超聲洗滌；將可溶性鎳鹽和尿素溶解于去離子水中得到澄清溶液；將泡沫鎳片斜置放入反應(yīng)釜中，再將鎳鹽和尿素溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后用冷卻水冷卻至室溫；將反應(yīng)釜中的泡沫鎳片取出，用水和乙醇清洗；將產(chǎn)物放入烘箱直至烘干，然后煅燒即可。這種一體式的產(chǎn)品具有很大的電容值，在高電流密度下也能很好的保持，循環(huán)性能很好，是一種具有極大應(yīng)用前景的超級(jí)電容器材料。
文檔編號(hào)C30B7/10GK102154695SQ201110046499
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者孫曉明, 常錚, 陸之毅 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)