一種摻鋁氧化鋅納米陣列的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電極材料性能的技術領域，尤其涉及一種摻鋁氧化鋅納米陣列的制備方法。
【背景技術】
[0002]當今社會，在能源危機和環境污染嚴重的壓力下，能源的存儲顯得尤為重要。超級電容器作為一種新型的能源存儲器件，具有能量密度高、充放電時間短、循環壽命長等優點被廣泛的研究并應用于各種電子產品中。決定超級電容器性能的關鍵因素是電極材料電化學性能的優劣，因此合成一種性能優良的電極材料已成為人們研究的熱點。傳統的超級電容器電極材料可以分為三大類，碳材料、導電聚合物材料以及過渡金屬化合物，其中過渡金屬化合物擁有多個易接近的價態中心，更易發生可逆的電化學反應，因此具有較大的電容量，如:N1理論電容量可以達到2573Fg \然而過渡金屬化合物的實際電容量卻并不十分理想，主要原因是其導電性差，為了解決這一問題，研究者提出了各種提高其電導率的方法，如摻雜改性、預處理和復合改性。
[0003]其中復合改性被認為是一種最為有效的改性手段。復合改性即是將過渡金屬化合物與電導率高的材料復合在一起來提高材料導電性的一種方法，目前用于復合改性的材料主要有:石墨烯、碳纖維、氧化鋅和金屬納米粒子。氧化鋅由于價格低廉且環境友好，受到了廣泛的青睞。另外，一維ZnO納米棒由于其單向電子傳輸特性而成為復合改性研究的熱點材料。近期，也有一些學者嘗試采用導電性較好的Al摻雜ZnO納米棒提高過渡金屬化合物的電導率。傳統的原子層沉積摻雜和磁控濺射摻雜技術工藝復雜、成本高、且大多形成多晶薄膜不易電子傳輸。J.Liu 等(Liu J，Xu L, Wei B, et al.0ne-step hydrothermalsynthesis and optical properties of aluminium doped ZnO hexagonal nanoplates ona zinc substrate.CrystEngComm, 2011, 13:1283-1286)采用快速直接且成本低廉的低溫水熱法成功合成了 Al摻雜ZnO納米片，然而由于反應腔體內反應物濃度的變化，很難有效的保證反應物的形貌以及摻雜的均勻性。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本發明提供一種摻鋁氧化鋅納米陣列的制備方法，所述制備方法為通過連續恒定速率注入生長源和摻雜源，精確控制化學反應液的濃度，從而可控制備出高載流子濃度的摻鋁氧化鋅陣列，并與氧化鎳材料復合得到高容量的電容器電極材料；
進一步地，所述制備方法具體步驟如下:
(1)對玻璃進行清洗并磁控濺射沉積摻Al的氧化鋅薄膜作為晶種層，將此襯底晶種層向上置于連續生長裝置的液相化學反應腔中；
(2)配制50mM硝酸鋅和5mM硝酸鋁混合水溶液并將其注入到所用連續生長裝置其中的一個注射器； (3)配制50mM六亞甲基四胺作為堿鹽將其注入到裝置的另一個注射器中；
(4)通過水浴加熱將液相化學反應腔溫度保持在95°C，設定反應源恒定注入速率(6ml/h)以及恒定注入時間(16h)開始連續流動注射法制備摻鋁ZnO陣列；
(5)水熱反應結束后，停止加熱反應腔，待冷卻到室溫，取出樣品，用去離子水沖洗并氮氣吹干；
(6)通過化學浴沉積法在摻鋁ZnO陣列外包覆N1納米片構筑電容器電極材料；
進一步地，所述的連續生長裝置的注射器共有兩個，可以以恒定的速率向前推進將生長液注入反應腔，與此同時，反應產生的廢液會以同樣的速率排出；
進一步地，所述玻璃的清洗方法為分別用丙酮、異丙醇、去離子水分別超聲清洗lOmin，隨后用氮氣吹干；
進一步地，所述的磁控派射沉積摻Al的氧化鋅薄膜厚度為500nm ；
進一步地，所述化學沉積法為將40ml濃度為IM硫酸鎳、30ml濃度為0.25M過硫酸鉀以及1ml氨水依次加入到10ml燒杯中作為沉積溶液，將已制備的鋁摻雜ZnO納米棒陣列樣品，直立在上述的沉積溶液中進行鎳源的沉積反應，25攝氏度下反應30分鐘后，取出樣品，350度空氣中退火1.5小時；
進一步地，一種電容器電極材料，所述電極材料由連續流動注射法所制備的高電導率的鋁摻雜氧化鋅納米陣列與導電性差但電容量高的氧化鎳納米片材料結合所得；
進一步地，所述氧化鎳納米片材料的厚度為100-200nm。
[0005]本發明的有益效果如下:
1)使用兩個注射器，以恒定的速率向前推進將生長液注入反應腔，廢液以同樣的速率排出，以此控制反應腔中生長液的濃度恒定；
2)磁控濺射沉積摻Al的氧化鋅薄膜厚度為500nm，其是作為摻鋁ZnO納米陣列水熱生長的晶種層從而保證其更好的結晶性與化學取向性；
3)恒定注入速率可以精確控制生長源、摻雜源與堿鹽的比例，保持恒定的PH值，有利于Al原子替代Zn原子，從而合成均勻鋁摻雜ZnO納米棒陣列；
4)將連續流動注射法所制備的高電導率的鋁摻雜氧化鋅納米陣列與導電性差但電容量高的氧化鎳納米片材料結合，可充分發揮兩者優勢，大幅度提高超級電容器電極材料的電容量；
5)本發明制備的摻鋁氧化鋅材料與普通水熱法相比載流子濃度提高了3個數量級。將這種高載流子濃度的鋁摻雜氧化鋅材料與導電性差的氧化鎳復合起來，充分發揮兩者優勢，可大幅度提高電容器的電容量；
6)這種連續流動注射摻雜方法為可控精確摻雜提供了新思路且工藝簡單，成本低廉，有很好的應用前景。
【附圖說明】
[0006]圖1為連續流動注射裝置圖；
圖2為連續生長摻鋁氧化鋅陣列掃描電鏡圖；
圖3為連續生長摻鋁氧化鋅陣列掃描能譜圖；
圖4為傳統水熱法摻鋁氧化鋅陣列載流子濃度圖； 圖5為連續生長摻鋁氧化鋅陣列載流子濃度圖；
圖6為傳統水熱法摻鋁氧化鋅陣列與連續生長摻鋁氧化鋅陣列循環伏安曲線與恒流充放電曲線對比圖；
圖7為實施例1連續生長摻鋁氧化鋅陣列掃描電鏡圖；
圖8為實施例2連續生長摻鋁氧化鋅陣列掃描電鏡圖；
圖9為實施例3連續生長摻鋁氧化鋅陣列掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0007]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。
[0008]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。下面為本發明的舉出最佳實施例:
一種摻鋁氧化鋅納米陣列的制備方法，所述制備方法為通過連續恒定速率注入生長源和摻雜源，精確控制化學反應液的濃度，從而可控制備出高載流子濃度的摻鋁氧化鋅陣列，并與氧