[發明專利]一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010016714.7
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111199834B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 崔佳冬;徐軍明;樊啟玲
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B32/184;C01B32/19;C01G51/00
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

本發明公開了一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料及其制備方法，該復合材料的特征為納米硫化鈷Co₃S₄均勻分布在多層石墨烯表面，硫化鈷呈納米片結構，納米片相互交叉成小團簇生長在多層石墨烯表面。本發明通過金屬鈷離子、硫脲與DMF及水分子形成的絡合物能通過分子力作用吸附到多層石墨烯表面，并最終在多層石墨烯表面形成硫化鈷。該方法能在沒有活性官能團的多層石墨烯表面一步法制備金屬硫化物，工藝簡單，適合生產。

技術領域

本發明屬于材料制備領域，涉及一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料及其制備方法。該材料在超級電容器領域中具有使用價值。

背景技術

超級電容器和電池是基于電化學能量轉換機制的高效儲能裝置。超級電容器具有高比電容、循環性能優異、高功率密度、維護成本低、沒有記憶效應、安全等優點。但是由于超級電容器能量密度低，所以尋找能夠克服低能量密度的電極材料是未來發展的方向。

過渡金屬硫化物與金屬氧化物或氫氧化物相比，具有更高的電導率、機械穩定性及熱穩定性；同時，也可以提供更多的氧化還原反應，因而可以提供更加優異的電化學性能。因此,過渡金屬硫化物成為當下研究的熱點。其中硫化鈷材料由于比容量高而得到廣泛研究。除了制備各種納米結構的硫化鈷化，通過與石墨烯復合制備復合材料，可以進一步提高硫化鈷作為超級電容器的性能。硫化鈷與石墨烯通過協同效應，避免石墨烯及硫化鈷的團聚，從而提高循環穩定性。其中，將氧化鈷納米顆粒沉積到石墨烯表面是一種提高性能的主要途徑。

然而，目前大部分的制備采用氧化石墨烯。氧化石墨烯表面具有豐富的帶負電的含氧官能團，通過靜電作用，將金屬離子吸附到石墨烯表面成為研究的主要途徑。然而，氧化石墨烯的制備過程復雜，對環境的污染較大，因此，成本較高，不利于復合材料的產業化。

現有氫氧化鎳/石墨烯復合材料的常用制備技術：一種是采用兩步法在石墨烯表面制備硫化物，其過程為在石墨烯表面首先合成納米氧化鈷，而后進行硫化后制備得到硫化鈷。另一種是采用化學沉積法，采用氧化石墨烯的含氧官能團吸附金屬鈷離子，并用硫離子結合產生硫化鈷。

采用超聲法制備的多層石墨烯制備更簡單，其表面沒有受到氧化破壞，因而具有良好的導電性。然而，由于沒有含氧基團的存在，使得其表面制備硫化物的方法不能通過含氧官能團的作用沉積硫化鈷。因而需要通過一種新的方法一步法在多層石墨烯表面制備納米硫化鈷。

為此，本發明采用一步水熱法制備硫化鈷/多層石墨烯復合材料，利用多層石墨烯表面化分子力，將在溶液中生成的鈷硫絡合物吸附到其表面并逐漸轉化生長硫化鈷納米片團簇。該復合材料具有高的超級電容性能。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提出一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料及其制備方法，首先通過超聲獲得多層石墨烯，隨后通過一步水熱法在其制備硫化鈷納米材料，主要的過程是利用多層石墨烯表面化分子力，將在溶液中生成的鈷硫絡合物吸附到其表面并逐漸轉化生長為硫化鈷納米片團簇。其中的鈷硫絡合物主要通過鈷離子與DMF及水分子及硫脲形成。

為了解決現有技術存在的技術問題，本發明的技術方案如下：

一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料，硫化鈷的化學式為Co₃S₄，均勻分布在多層石墨烯表面，硫化鈷呈納米片結構，納米片相互交叉成小團簇生長在多層石墨烯表面。

該技術方案中，由于超聲法制備的多層石墨烯表面沒有含氧官能團，不能通過靜電作用吸附金屬離子。本發明提出了采用絡合法制備硫化鈷/多層石墨烯復合材料，利用多層石墨烯表面化分子力，將在溶液中生成的鈷硫絡合物吸附到其表面并逐漸轉化生長硫化鈷納米片團簇。

本發明還公開了一種硫化鈷/多層石墨烯復合材料的制備方法，具體制備過程包括以下步驟：

S10，量取體積比為8:2的DMF和蒸餾水，混合后作為混合溶劑，兩者體積和作為混合溶劑體積用于計算；