[发明专利]一种无定型铝前体诱导制备水滑石基超级电容器材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于电容器电极材料制备技术领域，特别涉及一种无定型铝前体诱导制备水滑石基超级电容器材料的方法。

背景技术

随着化石能源的快速消耗即将枯竭，全球经济的快速增长，与能源需求的矛盾，以及由于化石能源消耗而引起的环境污染问题，使得人们对于清洁、可持续的风能电能等清洁能源提出了迫切的渴望，对于新能源的开发以及存储技术得到了前所未有的关注与投入。近年来，超级电容器由于其高的功率密度、长的使用寿命以及介于传统电容器和电池之间的能量密度和功率密度等优点而备受关注。理论和实际应用的研究工作被密集的报导。以碳材料为代表的双电层电容具有良好的稳定性以及大个功率密度但是其能量密度较低，因而部分科研工作者将目光放到了具有高能量密度的赝电容材料领域。RuO₂作为一种性能优异的赝电容材料已经有实际应用，但其高昂的价格限制了其应用。价格低廉的具有氧化还原性能的Ni、Co、Fe等元素便受到了关注，科研工作者们期望通过对于其材料制备的控制获得较高的性能。Ni、Co、Fe等元素很容易进入水滑石的主体层板，层板元素的分散性以及层状特性都决定了水滑石类材料有望获得较好的电化学性能。目前水滑石作为电极材料已被广泛报导，而水滑石的组装体因其具有更大的比表面积及丰富的孔道结构具有更有优异的性能。

水滑石又称双羟基复合金属氢氧化物，其化学通式可表示为[M_1-x²⁺M_x³⁺(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中A^n-代表层间可交换的阴离子，n为电荷数，M³⁺，M²⁺则分别代表三价和二价的金属阳离子，下标x指代金属元素的含量。水滑石具有层状结构、层间离子的可交换性以及层板元素的可调变性，在催化、吸附、生物传感、光学材料等方面具有广泛应用。

目前已有水滑石组装方法的报道，其组装方法主要有软模板法、硬模板法以及喷雾干燥等方法。软模板法是利用配合物、表面活性剂、高分子材料等有机物诱导水滑石的组装。该方法还不能实现对于水滑石组装体形貌的设计，而且制备的水滑石组装体也聚集较严重，小尺寸的组装体目前还没有得到，制备过程中还需要使用大量的有机反应试剂以及有机溶剂不经济也不环境友好。硬模板法通常是在反应体系中加入硬模板并控制水滑石片在模板的表面进行生长，最后再将其通过高温焙烧、溶解等方法去除。虽然组装体的形貌能够通过所加入的硬模板进行设计，但是其操作过程十分繁琐，模板的去除也相当困难。喷雾干燥方法是一种简单的水滑石组装方法，但水滑石的组装体尺寸较大，往往在几十微米左右，较大的尺寸限制了组装体的应用。因此，开发一种新型的简便的一步合成纳米级水滑石组装体的方法具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种无定型铝前体诱导制备水滑石基超级电容器材料的方法。该方法通过对铝前体的形貌进行控制从而诱导水滑石组装获得纳米级水滑石组装体，制备得到的纳米级水滑石组装体因其较小的尺寸、大的比表面积以及丰富的孔道结构，获得了十分优异的电容性能。

本发明无定型铝前体诱导制备水滑石基超级电容器材料的方法为：首先在无外加表面活性剂和模板剂的水相环境中形成无定形的铝前体，在前体的诱导作用下形成纳米级水滑石组装体。

本发明所述的无定型铝前体诱导制备水滑石基超级电容器材料的方法，其具体制备步骤为：

将可溶性二价金属盐与三价金属盐按摩尔比M²⁺/M³⁺=1-6的比例溶于去离子水中，其中[M²⁺]=0.05-2mol/L；待混合均匀后往体系中加入与金属总离子摩尔比为16-100的碱；然后在50-100℃的条件下恒温水浴反应8-48h；待反应停止冷却至室温后，用去离子水洗涤至体系pH不大于8，再将所得到的沉淀于60-90℃的恒温干燥箱内干燥8-48h即可得到水滑石基超级电容器材料。

M²⁺表示二价金属阳离子，选自Ni²⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺中的一种或几种。

M³⁺表示三价金属阳离子Al³⁺。