專利名稱：氫氧化鎘納米線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鎳鎘電池陰極材料的制備方法。具體地說是一種主要用于鎳鎘電池陰極材料的氫氧化鎘納米線的制備方法。
背景技術(shù)：
自從19世紀(jì)鎳鎘電池被發(fā)明以來，廣泛地應(yīng)用于各種設(shè)備中。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是壽命長、可充放電循環(huán)500 1000次、機(jī)械強(qiáng)度高、密封性能好、使用溫度范圍寬(-40 +50°C)、使用方法簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、安全可靠、能耐受大電流(高于正常使用電流的幾倍乃至10倍)的瞬時沖擊而不損壞、在正常工作期間，能長時間地保持電壓十分穩(wěn)定。由于以上優(yōu)點(diǎn)，鎳鎘電池得到了更廣泛的應(yīng)用。以往的鎳鎘電池陰極材料的制備方法主要是不同的化學(xué)方法例如化學(xué)浴沉積、連續(xù)的粒子吸附和解吸、電沉積法等，已經(jīng)在氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)的制備中得到應(yīng)用。在鎳鎘電池的未來發(fā)展的主要挑戰(zhàn)將涉及在嚴(yán)酷的工作條件下具有大電流放電特性、更高的容量和更長的耐久性。在鎳鎘電池中，由于氫氧化鎘和金屬鎘的交換所形成的缺陷會影響電池的容量，而且增加有毒重金屬鎘的排放會污染環(huán)境，因此發(fā)明一種高容量的新的氫氧化鎘電極材料具有重要的學(xué)術(shù)意義和使用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能大幅度提高鎳鎘電池的容量的氫氧化鎘納米線的制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
第一步用丙酮對純銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步清洗后的純銅片置于裝有苯與硝酸鎘混合溶液的容器中；所述苯與硝酸鎘混合溶液的組成為IOmL苯50mL的0. lmol/L硝酸鎘溶液；純銅片與苯與硝酸鎘混合溶液的比例關(guān)系為每IOOml混合溶液加IOcm2純銅片；
第三步向容器中慢慢加入0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液，加入量為每IOOml苯與硝酸鎘混合溶液加IOmL ；
第四步在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米線。
本發(fā)明提供了一種不使用表面活性劑或者模板，工藝簡單易行、成本低、重復(fù)性好、制備條件溫和、產(chǎn)品形貌均一、有利于形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的氫氧化鎘納米線的合成方法。通過該方法得到的氫氧化鎘納米線能大幅度提高鎳鎘電池的容量。
氫氧化鎘作為一種重要的功能材料，具有獨(dú)特的光學(xué)、光電子學(xué)和催化性能，在太陽能電池、電池陰極材料、傳感器、透明電極、光學(xué)晶體管和二極管等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。氫氧化鎘通常用作電極材料的添加物，一方面增加了鎳/鎘電池的放電容量，另一方面減少了電池本身的自放電。本發(fā)明主要制備了納米氫氧化鎘粉體材料并對其做了充放電測試。 通過測試，這種材料表現(xiàn)出很高的容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。3
通過本發(fā)明的方法得到的納米材料作為鎳鎘電池負(fù)極進(jìn)行充放電測試，表現(xiàn)出很高的容量和穩(wěn)定性。改變反應(yīng)條件，得到不同形貌的氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)，對不同形貌的氫氧化鎘進(jìn)行充放電測試，測試結(jié)果表明，具有納米線結(jié)構(gòu)的氫氧化鎘納米材料的容量和穩(wěn)定性要好于其他形貌的。
充放電的測試
電化學(xué)的測試通過以下方法進(jìn)行
把上述方法得到的氫氧化鎘納米線在50MP的壓力下壓在泡沫鎳片上。實(shí)驗(yàn)體系為三電極體系，并在25°C標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在5mol/L的KOH溶液中進(jìn)行，氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)為工作電極，Ni (0H)2/Ni00H作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，所有的電化學(xué)測試都使用藍(lán)電池體系。通過對充放電曲線的觀察，隨著電化學(xué)容量的增加，電勢增加到1. 5V，值得注意的是放電過程直到最后仍保持在1. 25V，顯示了非常平坦的放點(diǎn)平臺，這表明了氫氧化鎘納米線具有非常好的放電穩(wěn)定性。之后在充放電電流密度為30mA/g下循環(huán)100次，氫氧化鎘納米線的放電容量仍約為220mAh/g。這說明所制備的鎳鎘電池有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
比較氫氧化鎘納米線和通過改變反應(yīng)條件所得到的其他具有不同形貌和尺寸的氫氧化鎘電極材料(氫氧化鎘納米粒子)的容量。即分別對直徑為IOOnm的納米線，20nm 的納米粒子，40nm的納米粒子，500nm的納米粒子的電化學(xué)容量測試表明其放電容量分別為135mAh/g，100mAh/g, 100mAh/g和60mAh/g。結(jié)果證明隨著粒子尺寸的增加容量逐漸減少，也證明了粒子的形態(tài)影響他們的電化學(xué)穩(wěn)定性。通過充放電曲線的對比，可以明顯的看出，在電化學(xué)過程中與其他粒子相比，納米線有很高的容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。


圖Ia-圖Id是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)在不同反應(yīng)條件下得到的氫氧化鎘納米粒子的場發(fā)射掃描電子顯微(FE-SEM)圖像。其中圖Ia為0. lmol/L硝酸鎘溶液和0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的納米線；圖Ib為0. lmol/L硝酸鎘溶液和0. lmol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的納米粒子；圖Ic為0. 5mol/L硝酸鎘溶液和0. lmol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的納米粒子；圖Id為0. 5mol/L硝酸鎘溶液和0. 5mol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的納米粒子。
圖加是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所得到的氫氧化鎘納米線X射線衍射(XRD)圖像；圖2b為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所得到的氫氧化鎘納米線場發(fā)射掃描電子顯微(FE-SEM)圖像；圖2c和圖2d為在 30mA/g的電流密度下充放電曲線和已經(jīng)制備出的氫氧化鎘納米線的循環(huán)周期。
圖3分別是直徑為IOOnm的納米線，20nm的納米粒子，40nm的納米粒子，500nm的納米粒子的充放電曲線。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明，通過實(shí)施例進(jìn)行說明。
1.氫氧化鎘納米線的制備
第一步取一塊IXlOcm的長方形純銅片，用丙酮對銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步IOmL苯與50mL的0. lmol/L硝酸鎘溶液混合在100ml的燒杯中。
第三步在一步溶液中慢慢加入0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液10mL。
第四步將燒杯放入通風(fēng)櫥中，在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米線。
實(shí)施例一
該實(shí)施例采用室溫溶液法成功制備出氫氧化鎘納米線。
第一步取一塊IXlOcm的長方形純銅片，用丙酮對銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步IOmL苯與50mL的0. lmol/L硝酸鎘溶液混合在IOOml的燒杯中。
第三步在一步溶液中慢慢加入0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液10mL。
第四步將燒杯放入通風(fēng)櫥中，在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米線。
實(shí)施例二
該實(shí)施例與實(shí)施例一進(jìn)行對比
第一步取一塊IXlOcm的長方形純銅片，用丙酮對銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步IOmL苯與50mL的0. lmol/L硝酸鎘溶液混合在IOOml的燒杯中。
第三步在一步溶液中慢慢加入0. lmol/L的氫氧化鈉溶液50mL。
第四步將燒杯放入通風(fēng)櫥中，在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米粒子。
實(shí)施例三
該實(shí)施例與實(shí)施例一進(jìn)行對比
第一步取一塊IXlOcm的長方形純銅片，用丙酮對銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步IOmL苯與IOmL的0. 5mol/L硝酸鎘溶液混合在IOOml的燒杯中。
第三步在一步溶液中慢慢加入0. lmol/L的氫氧化鈉溶液50mL。
第四步將燒杯放入通風(fēng)櫥中，在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米粒子。
實(shí)施例四
該實(shí)施例與實(shí)施例一進(jìn)行對比
第一步取一塊IXlOcm的長方形純銅片，用丙酮對銅片進(jìn)行超聲波清洗；
第二步IOmL苯與IOmL的0. 5mol/L硝酸鎘溶液混合在100ml的燒杯中。
第三步在一步溶液中慢慢加入0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液10mL。
第四步將燒杯放入通風(fēng)櫥中，在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米粒子。
2.充放電性能的測試
實(shí)施例一
把0. 5mol/L硝酸鎘溶液和PH = 13的氨水反應(yīng)得到的直徑為IOOnm氫氧化鎘納米線在50MP的壓力下壓在泡沫鎳片上。所有的實(shí)驗(yàn)都是三電極體系，并在25°C標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在5mol/L的KOH溶液中進(jìn)行，氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)為工作電極，Ni (0H)2/Ni00H作為對電極， Ag/AgCl作為參比電極，所有的電化學(xué)測試都使用藍(lán)電池體系，在電流密度為30mA/g，觀察充放電曲線。
實(shí)施例二
把0. lmol/L硝酸鎘溶液和0. lmol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的直徑為20nm氫氧化鎘納米顆粒在50MP的壓力下壓在泡沫鎳片上。所有的實(shí)驗(yàn)都是三電極體系，并在25V標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在5mol/L的KOH溶液中進(jìn)行，氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)為工作電極，Ni (0H)2/Ni00H 作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，所有的電化學(xué)測試都使用藍(lán)電池體系，在電流密度為 30mA/g，觀察充放電曲線。
實(shí)施例三
把0. lmol/L硝酸鎘溶液和0. 5mol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的直徑為40nm氫氧化鎘納米顆粒在50MP的壓力下壓在泡沫鎳片上。所有的實(shí)驗(yàn)都是三電極體系，并在25V 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在5mol/L的KOH溶液中進(jìn)行，氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)為工作電極，Ni (0H)2/Ni00H 作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，所有的電化學(xué)測試都使用藍(lán)電池體系，在電流密度為 30mA/g，觀察充放電曲線。
實(shí)施例四
把0. 5mol/L硝酸鎘溶液和0. 5mol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到的直徑為500nm氫氧化鎘納米顆粒在50MP的壓力下壓在泡沫鎳片上。所有的實(shí)驗(yàn)都是三電極體系，并在25V 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在5mol/L的KOH溶液中進(jìn)行，氫氧化鎘納米結(jié)構(gòu)為工作電極，Ni (0H)2/Ni00H 作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，所有的電化學(xué)測試都使用藍(lán)電池體系，在電流密度為 30mA/g，觀察充放電曲線。
上述所得到的充放電曲線圖為圖3。
權(quán)利要求
1.一種氫氧化鎘納米線的制備方法，其特征是 第一步用丙酮對純銅片進(jìn)行超聲波清洗；第二步清洗后的純銅片置于裝有苯與硝酸鎘混合溶液的容器中； 第三步向容器中慢慢加入0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液；第四步在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氧化鎘納米線的制備方法，其特征是所述苯與硝酸鎘混合溶液的組成為IOmL苯50mL的0. lmol/L硝酸鎘溶液；純銅片與苯與硝酸鎘混合溶液的比例關(guān)系為每IOOml混合溶液加IOcm2純銅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氫氧化鎘納米線的制備方法，其特征是0.5mol/L的氫氧化鈉溶液的加入量為每IOOml苯與硝酸鎘混合溶液加10mL。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種氫氧化鎘納米線的制備方法。第一步用丙酮對純銅片進(jìn)行超聲波清洗；第二步清洗后的純銅片置于裝有苯與硝酸鎘混合溶液的容器中；第三步向容器中慢慢加入0.5mol/L的氫氧化鈉溶液；第四步在室溫下反應(yīng)48小時后，取出沉淀，先用蒸餾水清洗，再用無水乙醇清洗，在空氣中晾干后，即可得氫氧化鎘納米線。本發(fā)明提供了一種不使用表面活性劑或者模板，工藝簡單易行、成本低、重復(fù)性好、制備條件溫和、產(chǎn)品形貌均一、有利于形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的氫氧化鎘納米線的合成方法。通過該方法得到的氫氧化鎘納米線能大幅度提高鎳鎘電池的容量。
文檔編號C01G11/00GK102502786SQ20111031926
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者王瑩, 陳國瑞, 高鵬 申請人:哈爾濱工程大學(xué)