[發明專利]四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠復合材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201610123814.3
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105788875B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 梁雅榮;胡中愛;楊玉英;張雅迪;李志敏;安寧;吳紅英
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/44;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/86
• 代理公司: 蘭州智和專利代理事務所(普通合伙) 62201
• 代理人: 張英荷

本發明提供了一種能夠應用于超級電容器的四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠（Co₃O₄/rGH）復合電極材料，屬于復合電極材料技術領域。本發明以還原氧化石墨烯水凝膠的片層骨架作為導電基質，將四氧化三鈷納米線通過水熱反應生長在石墨烯納米片的表面，使四氧化三鈷納米線與還原氧化石墨烯水凝膠片層網絡結構構筑成由線/片組成的具有多級微孔結構的復合材料，從而改善其電化學性能，并具有較好的比電容和循環穩定性。另外，本發明原料廉價易得，污染小等特點，制備過程簡單、工藝穩定、易于操作，作為超級電容器電極材料符合商業化的基本要求。

技術領域

本發明涉及一種四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠復合材料及其制備方法；本發明同時還涉及該復合材料作為超級電容器電極材料的應用，屬于復合材料及電極材料技術領域。

背景技術

隨著清潔能源的開發和利用，能源的儲備顯的尤為重要，開發一種新型的能源儲存裝置成為一種必然趨勢。超級電容器是一種新型的能量儲存/轉化裝置，其充放電時間短、循環壽命長等優點廣泛應用于便攜式電子產品，混合動力電動汽車和大型工業設備等。而電極材料是超級電容器技術發展的核心，其中碳材料具有廉價易得，來源豐富，高的導電性，寬的電位窗口等優點，一直是人們關注的熱點。

石墨烯(graphene)材料成為研究者的研究熱點之一，是因為其作為一種新型平面二維材料，具有奇特的物理、化學性質，可加工性等，在眾多領域也都得到了廣泛應用，其中在電化學應用方面，它大的比表面積形成的多孔結構，不僅為離子的傳輸提供通道，還有更多的微空間用來儲存電解液；它良好的導電性可以保持電容器大的功率密度，也是其優勢所在。但是在實際應用中，由于范德華力的作用，石墨烯極易團聚和堆垛，使得其優異性能無法彰顯，實際比電容值不高。鑒于這種情況，為了盡可能將石墨烯的優勢發揮出來，將金屬氧化物和石墨烯進行復合。四氧化三鈷作為一種廉價且具有氧化還原活性的金屬氧化物，能夠提供贗電容來增加比電容值，使得石墨烯的雙電層電容得以很好的展現，性能也得到改善和提高。而將氧化石墨烯轉化成具有三維結構的石墨烯水凝膠（graphenehydrogels），這種特殊結構的凝膠在保持石墨烯內在性能的同時，一方面可以提供3D 網狀孔道，另一方面在表面殘留一定量的含氧官能團，這對電解液的滲透、離子擴散以及改善電極材料親水性非常有益，由此可以增加電解質與電活性組分的有效接觸面積，減少或消除電極內部的無效孔洞，改善其電容性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠復合材料的制備方法；

本發明的另一目的在于提供該復合材料的作為超級電容器電極材料的應用。

一、四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠復合材料的制備

本發明以還原氧化石墨烯水凝膠的片層骨架作為導電基質，將四氧化三鈷納米線通過水熱反應生長在石墨烯納米片的表面，使四氧化三鈷納米線與還原氧化石墨烯水凝膠片層網絡結構構筑成由線/片組成的具有多級微孔結構的復合材料，從而改善其電化學性能。

本發明四氧化三鈷納米線/還原氧化石墨烯水凝膠復合材料的具體制備工藝如下：

（1）氧化石墨前驅體分散液的制備：將氧化石墨超聲分散于蒸餾水中，形成濃度為1~2 mg/mL的氧化石墨分散液；

（2）氫氧化鈷的制備與剝離：將對氨基苯甲酸、六水合硝酸鈷溶解于蒸餾水中獲得對氨基苯甲酸插層的氫氧化鈷溶液；用氨水調解溶液pH至9~10后，靜置10~12 h；抽濾，用無水乙醇、蒸餾水洗滌至中性，再將其溶解在水中進行超聲剝離，制得帶正電荷的氫氧化鈷納米粒子或納米片分散液；

六水合硝酸鈷與對氨基苯甲酸的質量比為0.46:1~1.76:1；超聲剝離條件為：超聲電功率為250 W，超聲時間為15 min。