本發(fā)明涉及薄膜材料制備領域，涉及一種鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極及其制備方法、應用，具體涉及一種水熱法制備鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的方法，該電極具有優(yōu)異的大電流密度下高倍率性能，可應用于環(huán)保、催化和儲能等領域。

背景技術：

1、超級電容器由于其具有高能量密度、可觀的循環(huán)壽命、快速充放電速率及較寬的工作窗口，成為一種高效、環(huán)保的新型儲能設備。超級電容器在柔性和可穿戴設備的潛力逐漸被發(fā)掘，這將改變輕量級便攜式儲能系統(tǒng)的格局，使智能紡織品的創(chuàng)造成為可能，柔性超級電容器可為健康檢測設備、智能服裝等提供動力。通常用作超級電容器電極的襯底材料有304不銹鋼金屬、金屬銅箔、泡沫鎳、碳紙、碳纖維布等等，其中，碳纖維布具有良好的電子傳輸能力、優(yōu)異的機械強度和力學性能，是非常理想的柔性器件襯底。

2、電極材料是超級電容器中最重要的組成部分。目前，碳基材料、導電聚合物、金屬氧化物和金屬氫氧化物等不同種類的材料被廣泛用作超級電容器的材料。其中，過渡金屬層狀氫氧化物(ldhs)由于其均勻的二維層狀納米結構、大的比表面積、出色的氧化還原活性、靈活的離子交換能力、低成本、易于合成和無毒等優(yōu)點，在能量轉換和存儲應用方面受到了廣泛的關注。ldhs由帶正電的主體層及層間陰離子構成，得益于宿主層中陽離子的可調性及陰離子的可交換性，ldhs表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學活性。目前，ldhs中研究最為廣泛的依舊是過渡金屬層狀雙氫氧化物，研究表明摻入合適的第三種過渡金屬元素會對ldhs的性能有一定提升，這將成為ldhs下一段的主要研究方向。

3、因此，本發(fā)明對碳纖維布進行活化以提升其親水性，并將過渡金屬三元層狀氫氧化物與柔性活化碳纖維布復合，制備出的電極具有較高的面積比電容且在大電流下展現(xiàn)出良好的倍率性能，可以作為柔性器件的電極。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極及其制備方法、應用，本發(fā)明方法基于水熱法一步實現(xiàn)，所制得的電極材料能有效地實現(xiàn)性能的提升，尤其是在大電流密度下能保持高倍率性能，且形貌均一性非常好。

2、本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、一種鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，是以活化碳纖維布為襯底，在含鎳、鐵、錳的前驅體溶液下，采用一步水熱法在所述襯底上自發(fā)生長得到鎳鐵錳三元層狀氫氧化物薄膜結構，該柔性電極的制備無需粘結劑。具體的，方法包括將襯底置于聚四氟乙烯內膽中，加入前驅體溶液，在恒定溫度下反應一段時間后，鎳鐵錳三元氫氧化物自發(fā)沉積在襯底上形成薄膜材料。所述前驅體溶液中金屬鎳、鐵、錳的物質的量比例控制在3：1：1。

4、進一步的，所述襯底為活化碳纖維布，是將表面清潔的碳纖維布在450℃煅燒1h得到。

5、進一步的，所述前驅體溶液為六水合硝酸鎳、九水合硝酸鐵、六水合硝酸錳、尿素溶于去離子水形成的均勻透明溶液。

6、進一步的，所述恒定溫度為100～140℃，反應時長為4～8小時。

7、進一步的，根據(jù)本發(fā)明的一種具體實例，所述鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，包括以下步驟：

8、(1)清洗碳纖維布，得到表面清潔的碳纖維布并烘干；

9、(2)將碳纖維布在450℃下煅燒1h，得到活化碳纖維布；

10、(3)將活化碳纖維布和前驅體溶液加入聚四氟乙烯內膽中，進行水熱反應，水熱溫度為100～140℃內的恒定值，時間為4～8小時；

11、(4)將步驟(3)所得襯底取出后冷卻至室溫，隨后用去離子水和乙醇清洗并在烘箱中干燥，得到鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性材料；

12、進一步的，所述(3)中前驅體溶液為1mmol金屬鹽、3mmol尿素溶于40ml去離子水中，攪拌30分鐘形成的均勻透明溶液，其中，金屬鹽中鎳鹽、鐵鹽、錳鹽的摩爾比為3：1：1。

13、本發(fā)明的有益效果如下：

14、(1)本發(fā)明以柔性活化碳布作為基底，利用一步水熱法自發(fā)生長鎳鐵錳三元層狀氫氧化物，過程簡單易操控，無需粘結劑，適合用于工業(yè)化生產(chǎn)。

15、(2)本發(fā)明將導電性能優(yōu)異的活化碳布與高性能鎳鐵錳三元層狀氫氧化物結合，大大提升了整體電極材料的性能。

16、(3)水熱法制備出的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物具有納米片結構，均勻地生長在活化碳布纖維上，形成了高比表面積的薄膜結構，為電解液離子提供了大量的附著位點，從而可以在大電流密度下依舊保持較高的面積比電容。錳活性物質的引入可以提高結構穩(wěn)定性和速率能力，尤其是與其它元素摻雜(例如鈷、銅、鉻)相比，摻錳可以大大提升倍率性能，在50ma?cm-2的大電流密度下仍能保持70％的高倍率性能。此外，通過對水熱溫度和時間進行控制，實現(xiàn)了微觀結構和電化學性能的最優(yōu)調控。

技術特征：

1.一種鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，是以活化碳纖維布為襯底，在含鎳、鐵、錳的前驅體溶液下，采用一步水熱法在所述襯底上自發(fā)生長得到鎳鐵錳三元層狀氫氧化物薄膜結構，所述柔性電極無需粘結劑。

2.根據(jù)權利要求1所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，方法包括：將活化碳纖維布襯底置于聚四氟乙烯內膽中，加入所述前驅體溶液，在恒定溫度下反應一段時間后，鎳鐵錳三元氫氧化物自發(fā)沉積在襯底上形成薄膜材料；其中，所述前驅體溶液中鎳、鐵、錳的物質的量比例控制在3：1：1。

3.根據(jù)權利要求2所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，所述前驅體溶液為六水合硝酸鎳、九水合硝酸鐵、六水合硝酸錳、尿素溶于去離子水形成的均勻透明溶液。

4.根據(jù)權利要求3所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，所述的前驅體溶液中金屬鹽的總濃度為1mmol/40ml，尿素的濃度為3mmol/40ml。

5.根據(jù)權利要求2所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，所述恒定溫度為100～140℃。

6.根據(jù)權利要求2所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，所述的反應一段時間為4～8小時。

7.根據(jù)權利要求2所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，所述的活化碳纖維布為將表面清潔的碳纖維布在450℃煅燒1h，得到活化碳纖維布。

8.根據(jù)權利要求2所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極的制備方法，其特征在于，在反應結束后將襯底取出，冷卻至室溫，隨后用去離子水和乙醇交替清洗并在烘箱中干燥，得到鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性材料。

9.一種鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極，其特征在于，采用如權利要求1-8任一項所述的方法制得。

10.一種超級電容器，其特征在于，含有如權利要求9所述的鎳鐵錳三元層狀氫氧化物柔性電極。

技術總結
本發(fā)明公開一種鎳鐵錳三元氫氧化物柔性電極及其制備方法、應用。將襯底置于聚四氟乙烯內膽中，加入前驅體溶液，在恒定溫度下反應一段時間后，鎳鐵錳三元氫氧化物自發(fā)沉積在襯底上形成薄膜材料。金屬鎳鹽、鐵鹽、錳鹽的物質的量比例控制在3：1：1。本發(fā)明方法制備的鎳鐵錳三元氫氧化物柔性電極微觀形貌均勻，具有較高的面積比電容且在大電流下展現(xiàn)出良好的倍率性能。本方法簡單且無需粘結劑，重復性好，適合工業(yè)生產(chǎn)。

技術研發(fā)人員：吳進明,張家慧,葉志鎮(zhèn)
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10