[發明專利]一種一維四氧化三鈷/碳納米復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811037143.4
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109065369B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 郭曉迪;嚴凱峰;段云青;武鑫;劉金龍
• 申請（專利權）人: 山西農業大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/26;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/86;B82Y30/00
• 代理公司: 太原萬惟新致知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14121
• 代理人: 黃海燕

本發明公開了一種一維四氧化三鈷/碳納米復合材料及其制備方法和應用。本發明采用水熱法制備了原位負載在泡沫鎳上的有機陰離子插層的氫氧化鈷前驅體，然后將其分別在惰性氣氛、空氣中焙燒處理得到了高分散、高穩定性的四氧化三鈷/碳納米復合材料。四氧化三鈷與碳之間存在強的相互作用和鑲嵌結構使得碳層和四氧化三鈷之間產生協同效應，優勢相互結合，缺陷相互減弱，同時發揮雙電層電容和贗電容儲能特性，制備出了具有高功率密度、良好循環穩定性能和相對較高能量密度的復合電極材料。該多元復合納米材料用于超級電容器電極時綜合性能優異，且具有制備工藝簡單、周期短、成本低等優點，有望在超級電容器領域擁有廣泛的應用。

技術領域

本發明涉及一種一維四氧化三鈷/碳納米復合材料及其制備方法和應用，屬于電極材料技術領域。

背景技術

氣候的變化和化石燃料（如煤、石油和天然氣等）的消耗對整個世界經濟和生態具有巨大的影響，各國均投入大量的人力、物力和財力來研發新能源和可再生清潔能源。超級電容器是當今發展最有前景的能力電源之一，具有循環壽命長、功率密度大、組裝方式簡單、運行較安全等特點，適用于電動汽車和混合動力汽車電源、便攜儀器設備以及應用設備的后備電源等。但是隨著儲能技術的不斷發展，超級電容器對于高比能量、高比功率的性能要求越來越高。電極材料是超級電容器儲能的關鍵部件之一。四氧化三鈷作為超級電容器電極材料，其儲能機理是基于法拉第贗電容機理，所具有的比電容值往往要遠大于基于雙電層儲能機理的碳系列材料，也正因為如此，四氧化三鈷是當前人們研究的熱點之一。然而，四氧化三鈷導電性較差,且充放電過程中體積膨脹嚴重,導致電極活性物質的粉化和脫落。因此制備高功率密度、良好循環穩定性能和相對較高能量密度的復合電極材料日益迫切。

近年來，水滑石(LDHs)由于其可調的化學組成和特殊的結構，在超級電容器、鋰離子電池等領域展現出良好的性能。水滑石組成結構式是[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n ·mH₂O，其中M²⁺是二價金屬陽離子，M³⁺為三價金屬陽離子,均位于主體層板上，A^n-為層間陰離子，x為M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩爾比值。由于獨特的層狀結構以及受晶格定位效應的影響,層板上的二價和三價金屬陽離子相互高度分散。在經過選擇性高溫焙燒可以得到均勻分散的金屬氧化物、金屬/金屬氧化物組成或碳基納米復合材料。

發明內容

本發明旨在提供一種一維四氧化三鈷/碳納米復合材料及其制備方法和應用。本發明以一維有機陰離子插層的氫氧化鈷為前驅體，經過分步熱解，制備出一維四氧化三鈷/碳納米復合材料。所得一維四氧化三鈷/碳納米復合材料用于超級電容器中，表現出了較高的比電容量和良好的循環性能。

本發明采用水熱法制備了一維有機陰離子插層的層狀氫氧化鈷前軀體，然后將其分步焙燒后處理得到一維四氧化三鈷/碳納米復合材料。四氧化三鈷顆粒鑲嵌在碳基質中，并且與碳之間存在著強相互作用。利用碳材料良好的導電性、長循環壽命、高比表面積和四氧化三鈷較高的贗電容容量等特性，四氧化三鈷與碳基質以及集流體共同形成具有多孔結構的一體化設計的電極材料，表現出較高的能量密度和良好的循環性能。

本發明提供了一種一維四氧化三鈷/碳納米復合材料，包括集流體和原位復合負載于集流體上的一維四氧化三鈷/碳納米復合材料，其中四氧化三鈷顆粒鑲嵌在碳材料中，二者之間存在強的相互作用，四氧化三鈷與碳材料以及集流體共同形成具有多孔結構的一體化設計的一維四氧化三鈷/碳納米復合材料；碳來源于可溶性小分子鹽；層間有機小分子原位碳化形成碳材料。

所述的一維四氧化三鈷/碳納米復合材料，所述集流體為泡沫鎳，原位復合負載于所述集流體上的一維四氧化三鈷@碳納米復合材料由分步熱解法制備。