一種快速制備硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米材料的制備方法，特別是利用石墨烯水凝膠特性制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法。
【背景技術】
[0002]作為一種重要的過渡金屬硫化物，硫化鈷具有價格低廉、環(huán)境友好、資源豐富以及優(yōu)異的物理、化學、電學與光學性能等優(yōu)點。由于形貌的多態(tài)性以及晶體結構的豐富性，它經常被用在超級電容器、鋰電池、催化、生物傳感器、太陽能電池等領域。然而，硫化鈷較差的循環(huán)穩(wěn)定性和功率特性很大程度上限制了它的進一步應用。因此，我們需要將硫化鈷與其他材料復合，克服上述缺陷，提高材料性能。
[0003]近年來，石墨烯材料的發(fā)展與應用受到了廣泛關注。作為一種新的碳的同素異形體，它具有獨特的二維納米結構。由于其優(yōu)異的導電性能、機械特性、良好的化學穩(wěn)定性、大的長徑比及較大的比表面積等，石墨烯在電子、復合材料、電池、傳感器等具有潛在的應用前景。
[0004]Wang B 等人(Wang B, Park J, Su D, et al.Solvothermal synthesis of CoS2-graphene nanocomposite material for high-performance supercapacitors [J].Journal of Materials Chemistry, 2012，22 (31): 15750-15756.)報道了一種溶劑熱法制備硫化鈷/石墨烯納米復合物的方法。氧化石墨烯在乙二醇與水混合液中超聲分散，與氯化鈷溶液、L-半胱氨酸溶液混合后于160°C下恒溫反應6h，得到的產物經洗滌、干燥后，置于氬氣氣氛中400°C下熱處理4h。該硫化鈷/石墨烯納米復合物作為超級電容器電極材料時，表現(xiàn)出314F/g的比電容。
[0005]上述制備方法存在以下缺陷:1、實驗操作相對復雜，實驗條件相對苛刻；2、納米硫化鈷粒子與石墨烯片層在干燥和熱處理過程中易發(fā)生團聚和堆疊，減少了復合物的有效比表面積，從而降低了其電化學性能。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單的軟化學方法，在一定條件下利用石墨烯的水凝膠特性，制備了硫化鈷/石墨烯納米復合材料。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種制備硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:將氧化石墨烯攪拌分散于異丙醇溶液中制得分散液；
[0009]步驟二:將分散液、CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中，于100?220°C下恒溫反應；
[0010]步驟三:將步驟二中所得的產物洗滌即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0011]步驟一中，攪拌分散時間為30?60min。
[0012]步驟二中，CoClyK溶液和Na2S水溶液中的水與異丙醇的體積比為0.5?5:1，氧化石墨稀與CoCl2、Na2S的質量比為0.045?0.908:1: 1，氧化石墨稀在反應液中濃度為2.5?4mg/mL，恒溫反應時間為6?24h。
[0013]本發(fā)明有以下顯著優(yōu)點:
[0014]1、操作簡單，測試方便，無需加入任何粘結劑，僅通過石墨烯自身可自組裝為三維水凝膠體系的特性即可得到硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0015]2、以氧化石墨稀為如驅物制備具有水凝I父結構的硫化鉆/石墨稀復合材料，是一種新的探索，很好地結合了石墨烯與硫化鈷的優(yōu)點，利用二者間的協(xié)同作用，繼承了石墨烯較大的比表面積，有效抑制了石墨烯片層的堆疊與硫化鈷納米粒子的團聚現(xiàn)象，進一步提高材料的性能，所得硫化鈷/石墨烯復合材料在電化學測試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性會K。
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明利用水凝膠體系制備硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料方法的流程不意圖。
[0018]圖2是按實施例1反應條件所得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的樣品照片。
[0019]圖3是按實施例1反應條件所得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的(a)循環(huán)伏安曲線圖與(b)恒電流充放電圖。
【具體實施方式】
[0020]如附圖1所示，本發(fā)明利用水凝膠體系制備硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的方法，其特征包括以下步驟:
[0021]步驟一:將氧化石墨稀溶解于異丙醇中，攪拌以充分分散(30?60min)；
[0022]步驟二:將CoCl2.6Η20與Na2S.9Η20以質量比1:1分別溶解于等體積的水中，得到CoClyK溶液與Na 2S水溶液；
[0023]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于100?220°C下恒溫反應6?24h，其中，反應液中氧化石墨稀的濃度為2.5?4mg/mL，氧化石墨稀與CoCl2、Na2S的質量比為0.045?0.908:1: 1，水與異丙醇的體積比為0.5?5:1 ;
[0024]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0025]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明:
[0026]實施例1:
[0027]步驟一:將106mg氧化石墨稀溶解于15mL異丙醇中，攪拌以充分分散(60min)；
[0028]步驟二:將 2.14g CoCl2.6H20 與 2.14g Na2S.9H20 分別溶解于 7.5mL 水中，得到CoCIjK溶液與Na 2S水溶液；
[0029]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于220°C下恒溫反應18h ;
[0030]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0031]所得產物及其經冷凍干燥處理后的照片如附圖2所示，表明產物具有三維水凝膠結構。將冷凍干燥后的樣品制成電極進行電化學測試，其循環(huán)伏安曲線與恒電流充放電曲線如附圖3(a) ,3(b)所示。經計算，產物比電容為435.7F/g，表明產物具有較好的電化學性能，暗示了其在超級電容器領域具有較好的應用前景。
[0032]實施例2:
[0033]步驟一:將53mg氧化石墨稀溶解于10.5mL異丙醇中，攪拌以充分分散(60min)；
[0034]步驟二:將 1.07g CoCl2.6H20 與 1.07g Na2S.9H20 分別溶解于 5.25mL 水中；
[0035]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于200°C下恒溫反應18h ;
[0036]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0037]經恒電流充放電曲線計算，該實施例得到的產物比電容為394.0F/g。
[0038]實施例3:
[0039]步驟一:將106mg氧化石墨稀溶解于7.5mL異丙醇中，攪拌以充分分散(45min)；
[0040]步驟二:將 428mg CoCl2.6H20 與 428mg Na2S.9H20 分別溶解于 11.25mL 水中；
[0041]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于180°C下恒溫反應12h ;
[0042]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0043]經恒電流充放電曲線計算，該實施例得到的產物比電容為298.8F/g。
[0044]實施例4:
[0045]步驟一:將106mg氧化石墨稀溶解于5mL異丙醇中，攪拌以充分分散(30min)；
[0046]步驟二:將 4.28g CoCl2.6H20 與 4.28g Na2S.9H20 分別溶解于 12.5mL 水中；
[0047]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于100°c下恒溫反應24h ;
[0048]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0049]經恒電流充放電曲線計算，該實施例得到的產物比電容為161.8F/g。
[0050]實施例5:
[0051]步驟一:將212mg氧化石墨稀溶解于26mL異丙醇中，攪拌以充分分散(30min)；
[0052]步驟二:將 428mg CoCl2.6H20 與 428mg Na2S.9H20 分別溶解于 13mL 水中；
[0053]步驟三:將步驟一所得的氧化石墨烯醇溶液、步驟二所得的CoCljK溶液、Na 2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中于180°C下恒溫反應6h ;
[0054]步驟四:將步驟三中所得的產物洗滌后即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。
[0055]經恒電流充放電曲線計算，該實施例得到的產物比電容為131.4F/g。
【主權項】
1.一種制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:將氧化石墨烯攪拌分散于異丙醇溶液中制得分散液； 步驟二:將分散液、CoClyK溶液、Na 2s水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中，于100?220°C下恒溫反應； 步驟三:將步驟二中所得的產物洗滌即得硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料。2.如權利要求1所述的制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，步驟一中，攪拌分散時間為30?60min。3.如權利要求1所述的制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，步驟二中，CoClyK溶液和Na2S水溶液中的水與異丙醇的體積比為0.5?5:1。4.如權利要求1所述的制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，步驟二中，氧化石墨烯與CoCl2、Na2S的質量比為0.045?0.908:1:1。5.如權利要求1所述的制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，步驟二中，氧化石墨稀在反應液中濃度為2.5?4mg/mL。6.如權利要求1所述的制備硫化鈷/石墨稀水凝膠納米復合材料的方法，其特征在于，步驟二中，恒溫反應時間為6?24h。
【專利摘要】本發(fā)明公開了制備硫化鈷/石墨烯水凝膠納米復合材料的方法，包括以下步驟：將氧化石墨烯攪拌分散于異丙醇溶液中制得分散液；將分散液、CoCl2水溶液、Na2S水溶液依次置于容器中得到反應液，再置于密閉反應釜中，于100～220℃下恒溫反應；將所得的產物洗滌即得所述復合材料。本發(fā)明所述制備方法簡單，測試方便，無需加入任何粘結劑；且很好地結合了石墨烯與硫化鈷的優(yōu)點，利用二者間的協(xié)同作用，繼承了石墨烯較大的比表面積，有效抑制了石墨烯片層的堆疊與硫化鈷納米粒子的團聚現(xiàn)象，進一步提高材料的電化學性能。
【IPC分類】H01G11/86, B82Y30/00, H01G11/30, H01G11/24
【公開號】CN105161317
【申請?zhí)枴緾N201510298807
【發(fā)明人】朱俊武, 孫歡, 汪信, 付永勝, 丁靜, 孟曉茜
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年6月3日