[发明专利]水滑石/碳纳米管/镍多级结构薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级结构薄膜及其制备方法和应用，具体涉及水滑石/碳纳米管/镍三维多级结构薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

环境污染和化石能源的消耗使得人们对于清洁、可再生的清洁能源提出了迫切的渴望，例如太阳能、风能、电能等。近些年以来，超级电容器因其较高的功率密度、较长的使用寿命以及较优能量密度和功率密度等优点而受到世界的关注。因此超级电容器是目前最具应用前景的电化学储能技术之一。提高能量密度和功率密度,发展具有高比表面积、电导率和结构稳定性的电极材料是超级电容器的研究关键。如今超级电容器电极材料研究比较成熟的大致可以分为双电层电容材料和赝电容材料两大类。碳材料是双电层电容器典型代表，有良好的稳定性，较高的功率密度，但其功率密度较低。所以目前大部分的研究集中在高能量密度的赝电容材料。赝电容材料一般分为金属氧化物和导电聚合物。其电容主要源于充电/离子存储在电极/电解液界面/离子转移，其受电极材料的比表面积，孔隙率的影响[J.Power Sources2006,157,11]。RuO₂是一种性能优异的赝电容材料，但由于其昂贵的价格限制了其应用。过渡金属Fe、Co、Ni、Mn等元素具有赝电容性能，又廉价易得等优点，目前包含Fe、Co、Ni、Mn等元素的水滑石作为电极材料已被广泛报导。谷等人[J.Mater.Chem.A,2013,1,10655]将泡沫镍片放置于硝酸镍与硫酸钛混合溶液中，通过控制pH、反应温度、时间等反应条件，在泡沫镍片上原位生长镍钛水滑石薄膜，将此薄膜材料用作超级电容器的电极，在5mA cm^-2电流密度下达到10.37F cm^-2。

碳纳米管由于孔径分布合理、表面积利用率高、导电性好和稳定性高等优点，也被认为非常适合做电容器电极材料。而水滑石和碳纳米管的组装体因其具有更大的比表面积、更好的电导性以及丰富的孔道结构使得具有更加优异的性能。

目前已有水滑石和碳纳米管材料组装方法的报道，杜等人[Nanotechnology2010，21，315603]通过在水热系统中原位加入碳纳米管，获得了水滑石包裹碳纳米管的结构，并应用到阻燃材料当中；白等人[Materials Letters2011，65，2330]成功将锌铝水滑石和聚丙烯酸表面功能化的多壁碳纳米管组装成一种新颖的材料，并将其用作氧化邻苯二酚反应的催化剂。但该方法是在水热反应过程中，形成的水滑石在碳纳米管的表面成核，最终形成了水滑石和碳纳米管复合结构的粉体材料，如果将此粉体材料用作电极，需要用粘合剂或压制法将粉体固定到导电基底上，操作方法复杂，且粉体容易脱落。

因此，开发一种直接合成三维多级结构的水滑石和碳纳米管到导电基底上的方法具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种水滑石/碳纳米管/镍三维多级结构薄膜材料及其制备方法，并将该薄膜用作超电容材料。

本发明采用原位生长的方法在泡沫镍基底上先合成镍铝水滑石薄膜材料，再在其表面生长多壁碳纳米管，从而获得多壁碳纳米管膜/泡沫镍，经亲水化处理后，再采用水热原位生长法，获得镍铝水滑石/多壁碳纳米管/泡沫镍三维多级结构薄膜材料。该材料具有优良的超电容性能，可以用作超级电容器的正极材料。

水滑石/碳纳米管/镍三维多级结构薄膜材料，具体制备步骤如下：

A.将泡沫镍基镍铝水滑石(LDH)薄膜基片放入马弗炉中，以5-10℃/min升温速率升温至300-500℃，并保持60-180min，使基片上的镍铝水滑石薄膜转变为复合氧化物薄膜；

所述的泡沫镍基镍铝水滑石薄膜是一种在泡沫镍基片上生长的镍铝水滑石薄膜；其制备方法见申请号为201110122159.7的发明专利。

B.将步骤A得到的复合氧化物薄膜片平放于瓷舟中，放入管式加热炉中，先通入流速为60-120mL/min的氮气或氩气，以2-10℃/min的速率升温至600-900℃，再通入流速为4-16mL/min的乙炔气体反应30-240min，反应结束后冷却至室温。反应过程中由于高温的作用泡沫镍上的复合氧化物薄膜在生长碳纳米管时破裂，因而得到多壁碳纳米管/泡沫镍薄膜；