[发明专利]泡沫铜担载CuO纳米片的高电容柔性电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性超级电容器材料的制备方法，其特征为，通过一步水热法，在泡沫铜基底上生长氧化铜纳米片构成的薄层，从而获得兼备高比电容、高循环稳定性和优异柔性的超级电容器电极材料。该制备方法具有操作简单，成本低廉，重复性好且易于控制的优点。

背景技术

随着天然气、石油等不可再生能源的不断消耗，以及不清洁能源给环境带来的日益明显的负面影响，人类对环境友好型、清洁能源的追求热情日益高涨。超级电容器兼具高功率密度、高循环稳定性及使用寿命长、安全等优点，是一种新型储能器件。电极材料是决定超级电容器性能与成本的关键，电极材料的选择、设计与制备是高性能超级电容器研发的重点。

超级电容器电极材料主要有：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。由于过渡金属氧化物具有很高的理论电容值和较低的成本，将其作为电极材料引起了研究者们持续的兴趣。RuO₂、NiO、MnO₂、Co₃O₄和CuO被看作很有前景的电极材料。其中，CuO由于其无毒性、储量高、成本低、易制备，受到研究者们的关注。特别地，CuO的赝电容特性为其作为电极材料提供了可能。其电学性能强烈依赖于形貌和尺寸。

传统的电极材料为粉末状，需要粘结剂和导电添加剂粘接。由于电极是粘结而成，因此很容易形成“死体积”(Void or dead volume)；其阻断了电子的传输和电解液向电极材料表面的扩散，降低活性物质的利用率。以多孔金属为基体，物理或者化学沉积赝电容的金属氧化物纳米结构是获得高性能、柔性超级电容器电极的新途径。然而，现有报道往往是在多孔贵金属金、银表面生长氧化物，不仅制备步骤繁琐、成本较高，而且纳米结构与集电极基体之间的界面结合力往往较弱，导电性也会受到影响，且难以满足多次充放电循环。如果将电极材料原位生长在收集极上，就能有效地优化电极构造，使电解液与电极材料更好地接触，从而提升活性物质的利用率。这种设计规避了诸如生产时间成本长、“死体积”以及活性材料与集电极间结合力弱等问题。商用泡沫金属(如泡沫铜)可以提供一个多孔、连通的电极-电解质界面，便于电解液渗透以提高电化学效率。目前，大多针对三维纳米结构电极的合成设计都依赖于蒸气沉积法、高温退火和电化学沉积法等，这些方法都需要诸如高温、高压等严苛的实验条件、复杂的仪器设备、高要求的原材料和难以规模化生产等问题的限制。

本发明提出了一种温和条件下制备CuO纳米片均匀包覆泡沫铜电极的方法。以泡沫铜为基体，通过一步水热法对铜表面进行氧化刻蚀，从而将表层铜转化为氧化铜纳米结构，并系统研究了氧化剂过硫酸铵与氢氧化钠的浓度对其表面形貌和电化学性能的影响。

发明内容

本发明的目的：提出一种在泡沫铜基底上生长氧化铜材料的制备新方法，并介绍其在超级电容器电极方面的应用。这种在泡沫铜基底表面原位生长氧化铜的方法使得电极活性材料与基底结合紧密，对提高材料稳定性有着重要意义；同时，氧化铜片状结构均匀分布在三维基底表面，形成了多孔结构；电极材料能直接运用于电容器组装，无需粘结剂；这些优点保证了材料的高电容性能。此外，该制备方法操作简单，成本低，易于控制及规模化。

本发明的技术方案是：本发明以三维多孔结构的泡沫铜为基体，通过控制表面氧化实现CuO纳米片的生长，在获得高比电容的同时保持整个电极的柔性；具体制备步骤为：将适量的过硫酸铵和氢氧化钠依次溶解于去离子水中获得一定浓度的混合溶液，将30mL混合溶液和一块清洗过的长方形泡沫铜薄片转移至50mL反应釜中；反应釜放入烘箱中在恒定温度下反应15～60min；自然冷却后将泡沫铜取出，用去离子水反复洗涤后烘干，得到最终产物。

作为最佳方案，混合溶液中过硫酸铵和氢氧化钠的浓度范围分别为30～50mM和500～1000mM。

作为最佳方案，取出30mL混合溶液和一块清洗过的长方形泡沫铜薄片转移至50mL反应釜中；泡沫铜基底在反应前依次用去离子水、无水乙醇和1M稀硫酸超声清洗15min以上，以去除表面油污及氧化层。

作为最佳方案，反应釜放入烘箱中在恒定温度下进行水热反应，温度范围为100～160℃，反应时间15～60min。