一种制备Ni掺杂W

一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料用做光助充电容器电极的方法
技术领域
1.本发明属于光助充电容器电极材料技术领域，涉及一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料的方法并应用于光助充电容器的电极。


背景技术：

2.在化石能源日渐枯竭及其消耗过程带来的环境问题日益严重的情况下，对太阳能的利用重要性逐渐凸显。尽管目前太阳能电池的发展迅猛，但受限于光照条件，太阳能电池不能持续稳定的供电，除了并网发电之外，这一缺点使得它很难便利的直接应用于其他场景。将太阳能电池与储能器件联用可解决这一问题。太阳能电池进行光电转换产生的电能即时储存在储能器件中，随后储能器件再稳定持续的供电。然而，将两个独立装置连接实现这一过程将使在电路部分由于阻抗损失的能量增多，并且整个装置将变得复杂低效。为了实现简单便携的需求，人们将一部分研究重点转移到光电转换及电能储存的一体化装置上，光助充电容器就是这样一种装置。光助充电容器能在外电源充电的同时，在受到光照的条件下将光能转换为电能并存储下来，而光助充电容器的电极则是实现光电转换和储能的重要部件。
3.w
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是一种具有良好光电转换特性的半导体，而且w
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中的钨具有不同的价态，可在变价的过程中实现电能的存储。受到光照时，w
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产生光生电子和空穴，电子沿外电路流向对电极，w
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中的钨则被空穴氧化为更高的价态，同时与电解液中的负离子结合，实现储能。在放电时，w
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得到从对电极上转移过来的电子，钨被还原为较低的价态，同时释放负离子，实现放电。纯的w
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在受到光照时产生的光生电子和空穴复合几率较高，同时，由于w
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中钨的平均价态仍然是接近+6价的高价态，因此其被氧化储存负离子的性能还需要提高。对w
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进行ni掺杂，一方面可以提高光生电子和空穴分离的效率，同时，由于掺入的ni为+2价，能将w
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中的钨还原为更低的价态，从而提高w
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储存负离子的能力。泡沫镍具有良好的导电性及高比表面积，以泡沫镍作为基底制备ni掺杂w
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，在提高半导体负载量的同时，也能直接用做光助充电容器的自支撑电极。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料的方法并应用做为光助充电容器的电极。发明的思路是，将原料氯化钨和硝酸镍配制为混合溶液，通过浸泡、旋转、保温和烧结的步骤将ni掺杂w
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负载在泡沫镍上，通过改变浸泡、旋转和保温的重复次数可调节泡沫镍上ni掺杂w
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的负载量，通过改变前驱溶液中氯化钨和硝酸镍的比例可调节ni在w
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中的含量，能够保证负载量和掺杂量的可控，从而实现电极的光助充放电性能的可控。
5.本发明所述的做为光助充电容器电极的ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料的制备方法包括以下步骤：
6.（1）将wcl6溶于无水乙醇，加入冰醋酸，在室温下搅拌30 分钟后再加入浓度30%的过氧化氢水溶液，进一步搅拌15 分钟，随后，在溶液中添加硝酸镍和尿素，搅拌15分钟，得到绿色透明溶液，最后在40℃水浴搅拌2小时；
7.（2）将泡沫镍分别放入2mol/l硝酸、无水乙醇、去离子水中超声清洗20分钟，干燥后浸入步骤（1）得到的溶液中5分钟，旋转去除泡沫镍上的多余溶液，在80℃下保温5分钟，重复以上浸泡、旋转和保温过程的次数以改变泡沫镍上ni掺杂w
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的负载量；
8.（3）将步骤（2）得到的样品以一定的加热速率升温到250℃烧结一定时间，得到ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料。
9.所述步骤（1）中 wcl6在无水乙醇中的浓度为50 mg/ml，加入的冰醋酸、过氧化氢水溶液和无水乙醇的体积比为1:1：10，硝酸镍在混合液中的浓度为 0~12.5 mg/ml，硝酸镍的浓度不为0，尿素与硝酸镍的浓度比为2:1。
10.所述步骤（2）中，泡沫镍的旋转转速为300 rpm，旋转时间为10秒，浸泡、旋转和保温过程的重复次数不超过3次。
11.所述步骤（3）中，加热速率为1~3℃/分钟，烧结时间为2~4小时。
12.本发明以泡沫镍作为基底制备ni掺杂w
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， ni的掺杂有利于提高材料光生电子和空穴的分离效率，同时能还原w
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中的钨，使其转变为更低的价态，从而提高材料的储电性能。采用的沉积方法能够很好的控制泡沫镍上ni掺杂w
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的负载量和w
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中ni的含量，从而调控电极的光助充放电性能，对应用作为光助充电容器的电极非常有利。
附图说明
13.图1（a）为空白泡沫镍的扫描电镜图，图1（b）和（c）为本发明实施例2制备的样品不同放大倍数下的扫描电镜图。由图可以看出，经过本发明的制备步骤后，一层多孔膜成功的沉积在了泡沫镍上。
14.图2为本发明实施例2和对比例制备样品的x射线衍射图。对比例的所有衍射峰与单斜相w
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的标准衍射峰一致，证明得到的是w
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。实施例2样品的xrd图谱与对比例的图谱基本一致，区别是在27.9 ̊ 和71.9 ̊ 的位置出现了两个新的衍射峰，这两个衍射峰对应于斜方晶w3o8，证明经过ni掺杂后，材料主体仍然是单斜相w
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，但有部分钨离子被还原为较低的价态，出现了钨价态更低的氧化物，证明ni掺杂能起到还原钨离子的作用。
15.图3为本发明实施例1到3和对比例制备的样品的光电响应曲线。由图可知，实施例1到3制备的电极产生的光电流高于对比例样品的光电流，证明进行适当量的ni掺杂有利于提高w
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的光电转换性能。
16.图4为本发明实施例1到3和对比例制备的样品在5a/g的恒电流下，100mw/cm2光照和无光照下的充放电曲线。由图可知，随着ni掺杂含量的增大，电极的光助充放电比容量先增大后减小，实施例2的光助充放电比容量最大，光照下充电比容量为643.8 f/g，放电比容量达到了579.2 f/g，证明适当的ni掺杂有利于光助充放电性能的提高。同时，由图可知，所有样品在光照下的充放电比容量都优于无光照下的充放电比容量，证明这一ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料具有极大的做为光助充电容器电极的潜力。
具体实施方式
17.实施例1：
18.（1）将1 g wcl6溶于20 ml无水乙醇，加入2 ml冰醋酸，在室温下搅拌30 分钟后再加入2 ml浓度30%的过氧化氢水溶液，进一步搅拌15 分钟，随后，在溶液中添加0.1 g硝酸镍和0.2 g尿素，搅拌15分钟，得到绿色透明溶液，再在40℃下水浴搅拌2小时；
19.（2）将泡沫镍分别放入2mol/l硝酸、无水乙醇、去离子水中超声20分钟清洗，干燥后浸入步骤（1）得到的溶液中5分钟，将泡沫镍以300 rpm的转速旋转10秒钟去除多余溶液，在80℃下保温5分钟；
20.（3）将步骤（2）得到的样品在空气氛下以3℃/分钟的速率升温到250℃，在250℃下烧结2小时，得到ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料。
21.实施例2：
22.（1）将1 g wcl6溶于20 ml无水乙醇，加入2 ml冰醋酸，在室温下搅拌30 分钟后再加入2 ml浓度30%的过氧化氢水溶液，进一步搅拌15 分钟，随后，在溶液中添加0.2 g硝酸镍和0.4 g尿素，搅拌15分钟，得到绿色透明溶液，再在40℃下水浴搅拌2小时；
23.（2）将泡沫镍分别放入2mol/l硝酸、无水乙醇、去离子水中超声20分钟清洗，干燥后浸入步骤（1）得到的溶液中5分钟，将泡沫镍以300 rpm的转速旋转10秒钟去除多余溶液，在80℃下保温5分钟，重复这一浸泡、旋转和保温的步骤2次；
24.（3）将步骤（2）得到的样品在空气氛下以2℃/分钟的速率升温到250℃，在250℃下烧结3小时，得到ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料。
25.实施例3：
26.（1）将1 g wcl6溶于20 ml无水乙醇，加入2 ml冰醋酸，在室温下搅拌30 分钟后再加入2 ml浓度30%的过氧化氢水溶液，进一步搅拌15 分钟，随后，在溶液中添加0.3 g硝酸镍和0.6 g尿素，搅拌15分钟，得到绿色透明溶液，再在40℃下水浴搅拌2小时；
27.（2）将泡沫镍分别放入2mol/l硝酸、无水乙醇、去离子水中超声20分钟清洗，干燥后浸入步骤（1）得到的溶液中5分钟，将泡沫镍以300 rpm的转速旋转10秒钟去除多余溶液，在80℃下保温5分钟，重复这一浸泡、旋转和保温的步骤3次；
28.（3）将步骤（2）得到的样品在空气氛下以1℃/分钟的速率升温到250℃，在250℃下烧结4小时，得到ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料。
29.对比例：
30.将实施例2中的步骤（1）改为不加入硝酸镍和尿素，其他步骤与实施例2相同。
31.光电响应和光助充放电测试：
32.以制备的电极作为工作电极，pt电极为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，0.5 mol/lna2so4水溶液作为电解液，太阳光模拟器提供100mw/cm2的光照，采用电化学工作站测试制备电极的光电响应曲线。测试电极的光助充放电曲线时，将前述0.5 mol/l na2so4水溶液换为2mol/l的naoh水溶液作为电解液，其他条件不变。

技术特征：
1.一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料用做光助充电容器电极的方法，其特征在于通过浸泡前驱液、旋转、保温和烧结的过程在泡沫镍上制备ni掺杂w
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，将得到的ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料应用做为自支撑的光助充电容器电极，其具体步骤为：（1）将wcl6溶于无水乙醇，加入冰醋酸，在室温下搅拌30 分钟后再加入浓度30%的过氧化氢水溶液，进一步搅拌15 分钟，随后，在溶液中添加硝酸镍和尿素，搅拌15分钟，得到绿色透明溶液，最后在40℃水浴搅拌2小时；（2）将泡沫镍分别放入2mol/l硝酸、无水乙醇、去离子水中超声清洗20分钟，干燥后浸入步骤（1）得到的溶液中5分钟，旋转去除泡沫镍上的多余溶液，在80℃下保温5分钟，重复以上浸泡、旋转和保温过程的次数以改变泡沫镍上ni掺杂w
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的负载量；（3）将步骤（2）得到的样品以一定的加热速率升温到250℃烧结一定时间，得到ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料。2.根据权利要求1所述的一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料用做光助充电容器电极的方法，其特征在于，所述步骤（1）中 wcl6在无水乙醇中的浓度为50 mg/ml，加入的冰醋酸、过氧化氢水溶液和无水乙醇的体积比为1:1：10，硝酸镍在混合液中的浓度为 0~12.5 mg/ml，硝酸镍的浓度不为0，尿素与硝酸镍的浓度比为2:1。3.根据权利要求1所述的一种制备ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料用做光助充电容器电极的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，泡沫镍的旋转转速为300 rpm，旋转时间为10秒，浸泡、旋转和保温过程的重复次数不超过3次。4.根据权利要求1所述的一种制备ni掺杂w18o49/泡沫镍复合材料用做光助充电容器电极的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，加热速率为1~3℃/分钟，烧结时间为2~4小时。5.根据权利要求1-4任一项所述方法制备的ni掺杂w
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/泡沫镍复合材料应用做为光助充电容器的电极。

技术总结
本发明公开了一种制备Ni掺杂W


技术研发人员：利明 胡雨 周泽民 刘源
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2023.07.09
技术公布日：2023/10/19