一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料及其制备方法

本发明涉及新能源材料制备和应用，尤其涉及一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料及制备方法。

背景技术：

1、随着科技的发展和社会的不断进步，日益增长的能源需求以及化石燃料使用引发的环境问题成为制约现代社会发展的关键问题，因此人们迫切需要发展清洁能源和高效的能量存储技术。因此，为了满足间歇性可再生能源的存储需求，具有高容量、长循环寿命和高倍率性能的先进电化学储能装置成为影响新能源技术实际应用的重要因素。超级电容器由于具有超快的充电/放电速率、长循环寿命和高功率密度等众多优点而引起了广泛关注。

2、电极材料是影响超级电容器电化学性能和成本的关键因素。层状双金属氢氧化物(ldhs)，由于具有多价态、间隙中阴离子的高分散性、丰富的活性位点以及主体层中阳离子的成分可调等优点而表现出优秀的电化学性能。然而，该类材料固有的导电性差、离子转移速度慢、易团聚、稳定性差等缺点很大程度上限制了其在超级电容器中的实际应用。因此，通过在导电基底上原位生长ldhs纳米片，不仅可以显著抑制ldhs材料的团聚，并且有利于提高电子的传输效率。除此之外，近年来的研究发现，在ldhs材料中通过缺陷工程(如引入适量的氧空位)可以增加氧化还原或吸附活性位点的数量，并产生中间带隙电子态从而提高材料的本征电导率。近来，文献(magnesium-regulated oxygen vacancies of cobalt-nickel layered double hydroxide nanosheets for ultrahigh performanceasymmetric supercapacitors,journal of colloid and interface science,2022,612:772-781)报道mg掺杂可诱发nico-ldhs中氧空位的形成，从而显著提高了电极材料的比电容。然而，该研究所使用的方法仅能获得ldhs粉体材料，不但无法解决ldhs易团聚的问题，并且制备过程极为耗时(超过72小时)。

技术实现思路

1、本发明的目的在于能通过简单、高效的工艺，制备出一种富含缺陷的高性能复合电极材料。

2、为达到上述目的，本发明提出一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料及其制备方法，通过简单高效的工艺，实现三元层状金属氢氧化物与石墨烯泡沫的复合，并借助ar等离子体处理引入更多的氧空位缺陷从而提高电极材料的比电容及循环稳定性。

3、本发明提出一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，所述复合电极材料包含石墨烯泡沫和原位生长在石墨烯上的层状金属氢氧化物纳米片，所述层状金属氢氧化物为mg掺杂的层状氢氧化物超薄纳米片，该层状金属氢氧化物在石墨烯泡沫表面呈近似垂直的超薄纳米片形貌，纳米片间彼此搭接形成多孔的网络结构，该结构可暴露更多的活性比表面积，并且在电化学储能过程中有利于电解质离子的快速输运。

4、进一步的，所述层状金属氢氧化物为mg掺杂的层状双金属氢氧化物ldhs超薄纳米片，所述双金属离子为ni2+、mn2+、fe2+和cu2+中的任意两种。mg元素的掺杂可在ldhs纳米片中诱导生成大量的氧空位缺陷。

5、进一步的，所述石墨烯泡沫为化学气相沉积方法生长在泡沫镍表面的少层石墨烯。

6、进一步的，所述复合电极材料应用于超级电容器器件中。该复合材料用作超级电容器电极时，不仅无需使用粘结剂和传统的涂覆工艺，而且具有高比电容、优异的倍率性能和循环稳定性。

7、本发明还提出一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，制备上述富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，包括如下步骤：

8、步骤1：配置有mg掺杂的金属盐和调节剂的混合水溶液；

9、步骤2：将石墨烯泡沫作为基底，浸入所述混合水溶液中，在90℃进行3-6小时的水热生长，得到石墨烯泡沫/ldhs复合材料样品；

10、步骤3：将步骤2中所得复合材料样品放入真空腔室中，通过ar等离子体处理，在ldhs纳米片中引入更多的氧空位缺陷，制得复合电极材料。

11、进一步的，步骤1中，所述有mg掺杂的金属盐为氯化镁和其他金属盐，所述其他金属盐为氯化镍、氯化锰、氯化亚铁和氯化铜中的两种。

12、进一步的，所述混合水溶液中，金属盐的总浓度为0.02-0.1mol/l。

13、进一步的，步骤1中，所述调节剂为六亚甲基四胺，其浓度为1-5mol/l。

14、进一步的，所述等离子体为射频等离子体，气体为高纯ar。

15、进一步的，其特征在于，所述等离子体功率为50-200w，真空室压力为0.5-5pa，处理时间为10-120s。

16、与现有技术相比，本发明的优势之处在于：

17、1、本发明的制备工艺简单温和，通过水热生长和及等离子体处理即可直接获得富含缺陷的复合材料样品，步骤简单、操作易行、反应时间短。

18、2、本发明制得的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料可直接作为无粘结剂的电极使用，不仅避免了电极制备过程中粘结剂和涂覆工艺的使用，而且可有效提高活性材料的利用率，有利于获得高性能的超级电容器复合电极。

技术特征：

1.一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料包含石墨烯泡沫和原位生长在石墨烯上的层状金属氢氧化物纳米片，所述层状金属氢氧化物为mg掺杂的层状氢氧化物超薄纳米片。

2.根据权利要求1所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，其特征在于，所述层状金属氢氧化物为mg掺杂的层状双金属氢氧化物超薄纳米片，所述双金属离子为ni2+、mn2+、fe2+和cu2+中的任意两种。

3.根据权利要求1所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，其特征在于，所述石墨烯泡沫为化学气相沉积方法生长在泡沫镍表面的少层石墨烯。

4.根据权利要求1所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料应用于超级电容器器件中。

5.一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，制备权利要求1-4种任意一项所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述有mg掺杂的金属盐为氯化镁和其他金属盐，所述其他金属盐为氯化镍、氯化锰、氯化亚铁和氯化铜中的两种。

7.根据权利要求6所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述混合水溶液中，金属盐的总浓度为0.02-0.1mol/l。

8.根据权利要求5所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述调节剂为六亚甲基四胺，其浓度为1-5mol/l。

9.根据权利要求5所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体为射频等离子体，气体为高纯ar。

10.根据权利要求9所述的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体功率为50-200w，真空室压力为0.5-5pa，处理时间为10-120s。

技术总结
本发明提出一种富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料及其制备方法，其中，所述复合电极材料包含石墨烯泡沫和原位生长在石墨烯上的层状金属氢氧化物纳米片，所述层状金属氢氧化物为Mg掺杂的层状氢氧化物超薄纳米片，本发明通过简单高效的工艺，实现三元层状金属氢氧化物与石墨烯泡沫的复合，并借助Ar等离子体处理引入更多的氧空位缺陷从而提高电极材料的比电容及循环稳定性，本发明制得的富含缺陷的层状金属氢氧化物复合电极材料可直接作为无粘结剂的电极使用，不仅避免了电极制备过程中粘结剂和涂覆工艺的使用，而且可有效提高活性材料的利用率，有利于获得高性能的超级电容器复合电极。

技术研发人员：赵斌,李天鹏,王卓,王佳伟
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17