CN105304873A - 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法 - Google Patents

一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105304873A
CN105304873A CN201510611715.5A CN201510611715A CN105304873A CN 105304873 A CN105304873 A CN 105304873A CN 201510611715 A CN201510611715 A CN 201510611715A CN 105304873 A CN105304873 A CN 105304873A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spinning
carbon fiber
cobaltosic oxide
product
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510611715.5A
Other languages
English (en)
Inventor
朱俊武
邓进
汪信
付永胜
卢建建
孟晓茜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201510611715.5A priority Critical patent/CN105304873A/zh
Publication of CN105304873A publication Critical patent/CN105304873A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/14—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material
    • H01B1/18—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

本发明公开了一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：将四水醋酸钴分散于N,N-二甲基甲酰胺溶液，一定温度下搅拌分散，得到分散液；向分散液中加入聚丙烯腈，一定温度下搅拌分散，得到均匀的纺丝液；将纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物；将纺丝产物在一定温度下进行预氧化；将预氧化的产物在惰性气体保护下高温碳化；将步骤五得到的高温碳化产物在一定温度下再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。本发明操作简单，设备便利，无需加入任何稳定剂、模板剂或表面活性剂，产物的后处理方便，非常适用于大规模工业化生产，可制备具有优异电化学性能的四氧化三钴-碳纤维复合材料。

Description

一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种新型复合材料的制备方法，特别是一种采用碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法。
背景技术
Co3O4是研究较为广泛的多功能过渡金属氧化物，它具有环境友善、价格低廉、资源丰富等优点，并且具有优异的物理和化学性能。由于其优异的电化学性能，可以将其用于超级电容器的电极材料以及锂离子电池中。同时由于四氧化三钴作为一种p型半导体材料具有较高的催化活性。四氧化三钴较多优异性能使得其成为材料研究的热点。
碳纤维作为一种含碳量很高的新型炭材料，其具有轴向强度和模量高，密度低，非氧条件下耐高温，耐腐蚀性好，以及良好的导电导热性能。目前工业化生产中主要以聚丙烯腈纤维为主，其特点主要包括可以实现原丝的高纯化、高强化、致密化以及表面的光洁。碳纤维作为一种技术密集型的新型材料被广泛应用于复合材料、土木建筑、航天器材、汽车材料以及体育用品等等。
通过将金属钴盐和纺丝液混合后纺丝，然后碳化成丝生成四氧化三钴-碳纤维的复合材料，以碳纤维为基底，金属氧化为载体制备出的复合材料具有优异的电化学性能，且四氧化三钴环境友善、价格低廉、资源丰富。该复合物有望在催化、锂离子电池、传感器及储能领域具有良好的应用。通过纺丝产物煅烧后制备出的复合产物，有望得到性能较好的材料。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种操作简单的方法，在一定条件下，制备出以碳纤维为模版的四氧化三钴-碳纤维复合材料。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将四水醋酸钴分散于N,N-二甲基甲酰胺溶液，一定温度下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入聚丙烯腈，一定温度下搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物在250～350℃下进行预氧化2～5h，升温速率在2～5℃/min；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在惰性气体保护下于750～1000℃高温碳化2～5h，升温速率2～5℃/min；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在250～350℃下再次低温氧化2～5h，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
步骤一中，四水醋酸钴在N,N-二甲基甲酰胺中浓度为10～100mg/mL，反应温度在50～70℃。
步骤二中，聚丙烯腈后聚丙烯腈在溶液中浓度为10～100mg/mL，反应温度在50～70℃。
步骤三中，静电纺丝的电压在15～25kV；纺丝液的流速为0.1～1.0mL/h。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1.采用静电纺丝技术通过一定的煅烧工艺之后成功以碳纤维为模板制备了四氧化三钴-碳纤维复合材料，可显著的分散四氧化三钴，为充分发挥其优异性能奠定了坚实的基础；2.操作简单，设备便利，无需加入任何稳定剂、模板剂或表面活性剂，产物的后处理方便，非常适用于大规模工业化生产；3.材料较好地利用了碳纤维的特点，所得材料继承了碳纤维良好的导电性能，且结合了四氧化三钴的电化学活性的优点，在电化学测试中表现出了优异的电化学性能，表明其在电化学领域具有非常广阔的应用前景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明采用碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料方法的流程示意图。
图2按实施例一反应条件所得四氧化三钴-碳纤维复合材料的循环伏安曲线图(a)和恒电流充放电图(b)。
图3按实施例一反应条件所得四氧化三钴-碳纤维复合材料的透射电镜图(其中，a、b为复合材料不同部位的电镜图)。
具体实施方式
如附图1所示，本发明采用碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将四水醋酸钴分散于N,N-二甲基甲酰胺溶液，然后搅拌分散，得到分散液，四水醋酸钴在N,N-二甲基甲酰胺中浓度为10～100mg/mL，反应温度在50～70℃；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入聚丙烯腈，并搅拌分散，得到均匀的纺丝液，聚丙烯腈在溶液中浓度为10～100mg/mL，反应温度在50～70℃；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在15～25kV，纺丝液的流速为0.1～1.0mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物在一定温度下进行预氧化，预氧化温度在250～350℃，升温速率在2～5℃/min，反应时间为2～5h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在惰性气体保护下高温碳化，高温碳化温度在750～1000℃，升温速率在2～5℃/min，反应时间为2～5h；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在一定温度下再次低温氧化，反应温度为250～350℃，反应时间为2～5h，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
实施例1：
步骤一：将3g四水醋酸钴分散于30ml的N,N-二甲基甲酰胺溶液，70℃下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入3g聚丙烯腈，70℃搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在25kV，纺丝液的流速为1.0mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物以5℃/min的升温速率升温到350℃反应5h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在氮气保护下，以5℃/min的升温速率升温到1000℃反应5h进行高温碳化；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在350℃反应5h再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
所得产物的电化学测试结果如图2(a)、图2(b)所示，制备材料有着优异的电化学性能，由恒电流充放电曲线计算，该实例得到的材料的比电容为216F/g。通过透射电镜图3(a)、图3(b)所示，制备颗粒均匀分散在碳纤维中。
实施例2：
步骤一：将0.3g四水醋酸钴分散于30ml的N,N-二甲基甲酰胺溶液，50℃下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入3g聚丙烯腈，50℃搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在15kV，纺丝液的流速为0.1mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物以2℃/min的升温速率升温到250℃反应2h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在氮气保护下，以2℃/min的升温速率升温到750℃反应2h进行高温碳化；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在250℃下反应2h再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
由恒电流充放电曲线计算，该实例得到的材料的比电容为205F/g。
实施例3：
步骤一：将2g四水醋酸钴分散于30ml的N,N-二甲基甲酰胺溶液，60℃下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入2g聚丙烯腈，60℃搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在20kV，纺丝液的流速为0.5mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物以3℃/min的升温速率升温到300℃反应3h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在氮气保护下，以3℃/min的升温速率升温到850℃反应3h进行高温碳化；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在300℃下反应3h再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
由恒电流充放电曲线计算，该实例得到的材料的比电容为211F/g。
实施例4：
步骤一：将2g四水醋酸钴分散于30ml的N,N-二甲基甲酰胺溶液，60℃下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入2g聚丙烯腈，60℃搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在20kV，纺丝液的流速为0.5mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物以3℃/min的升温速率升温到300℃反应3h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在氮气保护下，以3℃/min的升温速率升温到850℃反应3h进行高温碳化；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在300℃下反应2h再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
由恒电流充放电曲线计算，该实例得到的材料的比电容为228F/g。
实施例5：
步骤一：将2g四水醋酸钴分散于30ml的N,N-二甲基甲酰胺溶液，60℃下搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入2g聚丙烯腈，60℃搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物，静电纺丝的电压在20kV，纺丝液的流速为0.5mL/h；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物以3℃/min的升温速率升温到300℃反应3h；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在氮气保护下，以3℃/min的升温速率升温到950℃反应3h进行高温碳化；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在300℃下反应2h再次低温氧化，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
由恒电流充放电曲线计算，该实例得到的材料的比电容为220F/g。

Claims (4)

1.一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将四水醋酸钴分散于N,N-二甲基甲酰胺溶液，搅拌分散，得到分散液；
步骤二：向步骤一得到的分散液中加入聚丙烯腈，搅拌分散，得到均匀的纺丝液；
步骤三：将步骤二得到的纺丝液进行静电纺丝，得到纺丝产物；
步骤四：将步骤三得到的纺丝产物在250～350oC下进行预氧化2～5h，升温速率在2～5oC/min；
步骤五：将步骤四预氧化的产物在惰性气体保护下于750～1000oC高温碳化2～5h，升温速率2～5oC/min；
步骤六：将步骤五得到的高温碳化产物在250～350oC下再次低温氧化2～5h，干燥、研磨即得四氧化三钴-碳纤维复合材料。
2.如权利要求1所述的以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，其特征在于，步骤一中，四水醋酸钴在N,N-二甲基甲酰胺中浓度为10～100mg/mL，搅拌分散温度为50～70oC。
3.如权利要求1所述的以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，其特征在于，步骤二中，聚丙烯腈后聚丙烯腈在溶液中浓度为10～100mg/mL，搅拌分散温度为50～70oC。
4.如权利要求1所述的以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法，其特征在于，步骤三中，静电纺丝的电压在15～25kV；纺丝液的流速为0.1～1.0mL/h。
CN201510611715.5A 2015-09-23 2015-09-23 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法 Pending CN105304873A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510611715.5A CN105304873A (zh) 2015-09-23 2015-09-23 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510611715.5A CN105304873A (zh) 2015-09-23 2015-09-23 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105304873A true CN105304873A (zh) 2016-02-03

Family

ID=55201851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510611715.5A Pending CN105304873A (zh) 2015-09-23 2015-09-23 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105304873A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410203A (zh) * 2016-11-11 2017-02-15 南京理工大学 一种以金属醇盐为前驱体制备球形钴酸锌/碳复合材料的方法
CN106654190A (zh) * 2016-11-04 2017-05-10 华中科技大学 一维In2O3/C纤维复合材料、其制备方法和应用
CN106784745A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 西京学院 钠离子电池用四氧化三钴碳纳米纤维的电纺丝制备方法
CN106757524A (zh) * 2016-12-04 2017-05-31 南京理工大学 快速制备NiMoO4/C纳米纤维的方法
CN110970628A (zh) * 2018-09-29 2020-04-07 中国科学院大连化学物理研究所 一种纳米碳纤维和金属复合电极及其应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100167078A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 Il Doo Kim Nano powder, nano ink and micro rod, and the fabrication methods thereof
CN102751475A (zh) * 2012-06-20 2012-10-24 天津大学 锡钴合金/碳纳米纤维薄膜锂离子电池负极材料的制备
CN102842710A (zh) * 2012-07-18 2012-12-26 上海大学 一种Co3O4/石墨烯纳米复合材料的制备方法
CN103956473A (zh) * 2014-05-20 2014-07-30 浙江师范大学 一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法
CN104466168A (zh) * 2014-12-09 2015-03-25 江苏科技大学 四氧化三钴-碳多孔纳米纤维的制备方法及其作为锂离子电池的用途
CN104882299A (zh) * 2015-05-13 2015-09-02 扬州大学 一种四氧化三锰/碳基复合纳米电极材料的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100167078A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 Il Doo Kim Nano powder, nano ink and micro rod, and the fabrication methods thereof
CN102751475A (zh) * 2012-06-20 2012-10-24 天津大学 锡钴合金/碳纳米纤维薄膜锂离子电池负极材料的制备
CN102842710A (zh) * 2012-07-18 2012-12-26 上海大学 一种Co3O4/石墨烯纳米复合材料的制备方法
CN103956473A (zh) * 2014-05-20 2014-07-30 浙江师范大学 一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法
CN104466168A (zh) * 2014-12-09 2015-03-25 江苏科技大学 四氧化三钴-碳多孔纳米纤维的制备方法及其作为锂离子电池的用途
CN104882299A (zh) * 2015-05-13 2015-09-02 扬州大学 一种四氧化三锰/碳基复合纳米电极材料的制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106654190A (zh) * 2016-11-04 2017-05-10 华中科技大学 一维In2O3/C纤维复合材料、其制备方法和应用
CN106410203A (zh) * 2016-11-11 2017-02-15 南京理工大学 一种以金属醇盐为前驱体制备球形钴酸锌/碳复合材料的方法
CN106410203B (zh) * 2016-11-11 2019-07-12 南京理工大学 一种以金属醇盐为前驱体制备球形钴酸锌/碳复合材料的方法
CN106757524A (zh) * 2016-12-04 2017-05-31 南京理工大学 快速制备NiMoO4/C纳米纤维的方法
CN106784745A (zh) * 2017-03-02 2017-05-31 西京学院 钠离子电池用四氧化三钴碳纳米纤维的电纺丝制备方法
CN110970628A (zh) * 2018-09-29 2020-04-07 中国科学院大连化学物理研究所 一种纳米碳纤维和金属复合电极及其应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103545536B (zh) 一种碳纤维负载金属催化剂及其制备方法和应用
CN103985850B (zh) 一种五氧化二钒纳米线/导电基底复合电极材料的制备方法
CN105304873A (zh) 一种以碳纤维为模板制备四氧化三钴-碳纤维复合材料的方法
Zhou et al. Carbon dots promoted vanadium flow batteries for all-climate energy storage
CN107649160B (zh) 一种石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂及其制备方法和应用
Li et al. An effective integrated design for enhanced cathodes of Ni foam-supported Pt/carbon nanotubes for Li-O2 batteries
Guo et al. Electrospun core–shell nanofibers derived Fe–S/N doped carbon material for oxygen reduction reaction
CN103985884A (zh) 一种氮掺杂碳纳米材料、其制备方法及应用
CN106784856A (zh) 一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料及其制备方法
CN103915633A (zh) 一种复合碳纤维载金属催化剂及其制备方法和应用
Su et al. Phosphorus-doped carbon nitride as powerful electrocatalyst for high-power vanadium flow battery
CN106219515A (zh) 具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法
CN105958045A (zh) 一种用于锂硫电池的正极材料及其制备方法
CN106229521A (zh) 一种FeCx@NC核壳结构催化剂及其制备方法
CN108091892A (zh) 一种Fe/Co/N/MWCNTs催化剂
CN103143391B (zh) 三维石墨烯/卟啉复合氧还原电催化剂的制备方法
CN101355150B (zh) 锂离子电池用石墨碳纳米管复合电极材料的制备方法
CN101912791A (zh) 二氧化硅/碳复合材料及其制备和应用
CN109921037A (zh) 一种用于高效氧还原反应的Fe/N/C共掺杂电催化剂制备方法及其应用
CN109755033A (zh) 一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和应用
CN106268798A (zh) 用于甲酸氧化的Pd/WO3‑RGO催化剂及其制备方法
KR101664235B1 (ko) 촉매금속이 담지된 나노섬유 복합체 및 이의 제조방법
CN106140162A (zh) 一种用于电催化析氢的铜纳米粒子/碳纳米纤维杂化材料的制备方法
CN103977825B (zh) 一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法
CN101814608B (zh) 一种用于直接甲醇燃料电池的阳极复合催化剂Pt-MoOx及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160203