一種制備氧化鈷/石墨烯納米復合材料的方法
【專利說明】一種制備氧化鈷/石墨烯納米復合材料的方法
[0001]所屬領域
[0002]本發(fā)明屬于一種制備氧化鈷/石墨烯納米復合材料的綠方法。
技術背景
[0003]復合材料因兼具單個組分間的協(xié)同作用而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，在超級電容器電極材料方面具有潛在的應用價值(Adv.Mater.，2011, 23:4828 ;先進材料，2011年23 卷:4828 頁)(Energy Environ.Sc1.，2011，4:1113 ;能源環(huán)境科學，2011 年 4 卷:1113頁)。石墨烯作為一種新型的碳材料，它具有二維平面單原子層結(jié)構，超高的比表面積(2630!!!?-1)以及顯著的電子傳導性等獨特性質(zhì)，這些使其成為了一種良好的復合功能材料納米添加劑。最近，許多研宄者致力于合成過渡金屬氧化物/氫氧化物與石墨烯(或還原氧化石墨稀)的納米復合材料。(Electrochim.Acta., 2013, 89:516 ；電化學學報，2013年89 卷:516 頁)(J.Power Sources, 2013，226:65-70 ;電源，2013 年 226 卷 65 頁)。報道制備石墨烯/氧化鈷的復合材料可以提高比電容，但是，傳統(tǒng)化學合成方法中存在著結(jié)構相的隨機分布，從而導致石墨烯在電極材料的制備過程中很容易團聚甚至重新堆積。為了解決這些問題，在分子層面進行異質(zhì)組裝被認為是一種構建石墨烯復合物的有效方法。
[0004]α -型氫氧化物中存在羥基缺陷，在c軸方向上由帶正電荷的[Μ(OH)2_x(H2O)x]χ+層無序堆積形成，它們層間存在的陰離子(如N03_，Cl_，Ac-, SO42O和插層水分子共同維持了化合物的電中性，并使氫氧化物擁有了較大的插層空間，在一定條件下可以剝離成一種帶正電且具有各相異性的2D納米片。然而，這種氫氧化物由于具有高的層電荷密度和層間氫鍵，通常只能在有機物溶劑(如甲酰胺、正丁醇)剝落(J.Colloid InterfaceSc1.，2005，288:629 ;膠體界面科學，2005 年 288 卷:629 頁；J.Mater.Chem.，2001，11:105 ；材料化學，2001年11卷:105頁)。眾所周知，大多數(shù)有機物都是有毒且昂貴的。過度的消耗還會造成一系列環(huán)境問題。因此，如果能在水中對雙氫氧化物進行剝落是理想的選擇，同時也是一條適合大規(guī)模生產(chǎn)高性能電極材料的綠色、環(huán)保的路線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡單，快速，大規(guī)模生產(chǎn)綠色，環(huán)保的制備氧化鈷/石墨烯納米復合材料的方法，
[0006]本發(fā)明通過靜電作用，使氧化鈷和石墨烯在分子水平上實現(xiàn)復合，顯著提高復合電極材料的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性，同時可以簡單，快速，大規(guī)模制備該材料而滿足實際應用。
[0007]本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn):
[0008](I)將氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為5-90min，超聲功率為500-1000W，得到濃度為0.l-5mg mL—1的氧化石墨烯溶液；
[0009](2)按 Co(NO3)2.6Η20:去離子水=l_5mmol:100ml，將 Co(NO3)2.6Η20 溶解在去離子水中，磁力攪拌10-50min，得到濃度為0.1-0.5mol L—1的硝酸鈷溶液，然后滴加NH 3.H2O并不斷攪拌，直至溶液pH到8-10，生成的固體產(chǎn)物立即被離心，并分散在去離子水中，靜置12-72h，經(jīng)0.2-2h超聲處理獲得氫氧化鈷膠體溶液；
[0010](3)將氧化石墨烯水溶液和氫氧化鈷膠體溶液按體積比1:5-5:1比例混合，經(jīng)抽濾，洗滌，冷凍干燥制得氫氧化鈷/氧化石墨烯前軀體；
[0011](4)將前軀體在惰性氣氛下，于150-500°c下處理l_6h，得到氧化鈷/石墨烯納米復合材料。
[0012]本發(fā)明制備的氧化鈷/氧化石墨烯納米復合材料其比容量為400-700F g'
[0013]步驟(I)中所述的氧化石墨可以是由Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法或電化學氧化法制備的，然后將氧化石墨通過超聲分散得到氧化石墨烯水溶液；
[0014]步驟⑵所述靜置時間優(yōu)選時間為12_36h。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]1.通過帶正負電荷的2D納米片之間的“面對面”組裝實現(xiàn)了分子水平上的結(jié)構設計，石墨烯與氧化鈷納米片間界面結(jié)合緊密，這將有利于復合材料中的電子及應力傳輸。
[0017]2.復合材料中氧化鈷負載量高、分散均勻，作為超級電容器電極材料展示優(yōu)異的電容特性。
[0018]3.本發(fā)明實現(xiàn)了在水中對氫氧化鈷的剝離分散，工藝簡單，無需特殊設備，是一條適合大規(guī)模生產(chǎn)高性能電極材料的綠色、環(huán)保路線。
【附圖說明】
[0019]圖1所有實施例產(chǎn)物在掃描速率為5mVs—1下的循環(huán)伏安曲線(a)和在電流
[0020]密度為IA g—1下的充放電曲線(b)。
[0021]圖2實施例4產(chǎn)物的石墨烯表面負載氧化鈷的TEM照片
【具體實施方式】
[0022]下面用實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于實施例。對本領域的技術人員在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
[0023]實施例1
[0024]將Hummers法所制氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為5min，超聲功率為500W，得到濃度為0.1mg ml/1帶負電荷的氧化石墨烯溶液；將Immol的Co (NO 3) 2.6Η20溶解在10ml的去離子水中，磁力攪拌lOmin，然后滴加NH3.H2O并不斷攪拌，直至溶液pH到8，生成的固體產(chǎn)物立即被離心，并分散在去離子水中，靜置12h，再經(jīng)0.5h超聲處理，獲得帶正電荷的氫氧化鈷懸浮液。將氧化石墨烯水溶液和氫氧化鈷懸浮液按體積比1:5比例混合，經(jīng)抽濾，洗滌，冷凍干燥制得氫氧化鈷/氧化石墨烯前軀體。最后，將前軀體在Ar氛圍下于250°C熱處理Ih制得比表面積為127!!!?'氧化鈷的負載率為80.3%的氧化鈷/還原氧化石墨稀納米復合材料。
[0025]按照質(zhì)量比85:10:5的比例加入制得的氧化鈷/還原氧化石墨烯納米復合材料、乙炔黑、聚四氟乙烯，混勻碾壓成薄膜后沖壓成直徑為Icm2的電極