CN108648919A - 一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超级电容器的Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，具体步骤为：KMnO4，Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O作为合成原料，通过一步水热法在还原氧化石墨烯（RGO）的表面包覆生长Co2MnO4，形成Co2MnO4/RGO复合材料。本发明所述的制备方法选用还原氧化石墨烯为原料，使得制备的Co2MnO4/RGO复合材料具有大的比表面积，良好的导电性，以其作为电极材料，极大的提高了超级电容器的比容量、倍率性能和电化学稳定性；制备方法具有简单，成本低等优点。在超级电容器三电极体系测试中，本发明制备的材料在1A g‑1的电流密度下表现出1719 F g‑1的高比容量，表现出良好的电化学性能。

Description

一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料工程领域，涉及一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法；本发明同时还涉及该Co2MnO4/RGO复合材料作为超级电容器电极的应用。
背景技术
随着社会的进步和经济的发展，石油、煤炭等不可再生资源过度消耗，带来的却是雾霾、酸雨、“温室效应”等环境问题，直接威胁着下一代的身体健康，资源使用。目前的清洁能源主要有风能、潮汐能、太阳能、地热能等，而高效的能源储备及转换的技术和器件成了关键。一些储电器件，如燃料电池、二次电池、超级电容器等成为了这个领域重要的研究方向。
超级电容器作为一种新兴的能量捕捉及存储的器件，其能量存储原理分为两类：一类是通过电荷在电极表面的吸附，即双电层电容，电极材料主要是碳材料；一类是通过电极与电解液界面的法拉第氧化还原反应，即法拉第赝电容，电极材料主要是金属化合物和聚合物。与双电层电容相比，法拉第赝电容的比容量是其10到100倍，但稳定性相对差一些，而复合材料不仅能实现材料性能和成本的合理，而且能结合两者的优势，应用前景十分广泛。石墨烯作为一种新兴的材料，以高的导电性和大表面积，在超级电容器领域发挥着不可替代的作用。但是其理论比容量只有550 F/g，限制了其发展与应用，将赝电容材料附着在石墨烯表面形成的复合材料被认识是改善电极电容的有效方法。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明拟将赝电容材料Co2MnO4附着在还原氧化石墨烯（RGO）表面以形成Co2MnO4/RGO复合材料。
本发明的另一个目的是提供该Co2MnO4/RGO复合材料作为超级电容器电极的应用。
为实现发明目的，本发明采用技术方案如下。
本发明提供了一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，该方法是通过一步水热法在还原氧化石墨烯表面包覆生长Co2MnO4，形成Co2MnO4/RGO复合材料，并将其作为超级电容器的电极材料，应用于超级电容器中，具体步骤如下。
（1）将10~100 mg的还原氧化石墨烯加入到5~100 ml的去离子水中，然后超声20min~3 h，在室温下置磁力搅拌器中搅拌，转速为200-300r/min，搅拌时间为0.5 h~2 h。
（2）分别称取适量KMnO4、Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O，在搅拌条件下分别加入上述还原氧化石墨烯溶液中，其中KMnO4与Co(AC)2·4H2O,的摩尔比为1:2~1:10， KMnO4与Mn(AC)2·4H2O的摩尔比为1:1~1:4，继续均匀搅拌0.5h~3h，形成前驱体溶液。
（3）将前驱体溶液加入到反应釜中，在100℃~250℃条件下进行水热反应，反应时间为12 h~30 h，反应结束后，自然冷却至室温。
（4）将得到的溶液进行抽滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤3~5次，40℃~90℃条件下干燥6 h~24 h，即得到Co2MnO4/RGO复合材料。
本发明还提供了采用上述制备方法制备的一种Co2MnO4/RGO超级电容器的电极材料，该材料的微结构为水热生长的Co2MnO4包覆在还原氧化石墨烯的表面，具有非常大的比较面积，有效的提高了电极的比表面积和空间利用率，提升了电极材料的比容量。本发明制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为超级电容器的电极材料，通过三电极测试，发现具有较好的比容量。
本发明的有益成果在于。
（1）本发明采用操作简单、成本较低的制备方法实现了Co2MnO4通过水热法生长在还原氧化石墨烯的表面。石墨烯的高比表面积有利于离子的吸附，从而增加了电极的比表面积以及电极材料和电解质的接触空间，同时还原氧化石墨烯的高导电性能够使电极上的电荷快速转移，达到有效提高电极材料的比容量的效果。
（2）本发明制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料应用于超级电容器的电学测试中显示出十分优异的比容量，在1 A/g时比容量能达到1700 F/g，表现出很好的电化学性能。
（3）本发明采用一步水热法，操作简单，不需要复杂的设备，非常适合工业化的批量生产。
附图说明
附图作为本说明书的一部分，将与下面的具体实施方式一起用于进一步说明及解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中。
图1为实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料的扫描电镜（SEM）图。
图2为实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料组装的超级电容器的循环伏安图。
图3为实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料组装的超级电容器的恒电流充放电曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明进行详细说明。下列实施方法仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明的实施范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，扫描电子显微镜购自日本电子株式会社，型号JSM-6390；电化学工作站购自上海华辰仪器有限公司，型号CHI660e；所用试剂均为商购的分析纯试剂。以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
制备例1。
本制备例用于说明一步水热法制备Co2MnO4/RGO复合材料的方法。
1）将一定量的还原氧化石墨烯加入到5~100 ml的去离子水中，然后超声20 min~3h，在室温下置磁力搅拌器中搅拌，转速为200-300r/min，搅拌时间为0.5 h~2 h。
2）分别称取适量KMnO4、Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O，在搅拌条件下分别加入上述还原氧化石墨烯溶液中，其中KMnO4与Co(AC)2·4H2O的摩尔比为1:2~1:10，KMnO4与Mn(AC)2·4H2O的摩尔比为1:1~1:4，继续均匀搅拌0.5h~3h，形成前驱体溶液。
3）将前驱体溶液加入到反应釜中，在100℃~250℃条件下进行水热反应，反应时间为12 h~30 h，反应结束后，自然冷却至室温。
4）将得到的溶液进行抽滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤3~5次，在40℃~90℃条件下干燥6 h~24 h，即得到Co2MnO4/RGO复合材料。
实施例1。
本实施例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的制备方法。
1）根据制备例1的方法，将20 mg的还原氧化石墨烯加入到10ml的去离子水中，然后超声1 h，在磁力搅拌0.5 h，得到还原氧化石墨烯溶液。
2）在步骤1）中配置的还原氧化石墨烯溶液中，在搅拌状态下，分别加入KMnO4、Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O，继续均匀搅拌1h，形成前驱体溶液。其中KMnO4为1mmol, Co(AC)2·4H2O为 5 mmol，Mn(AC)2·4H2O为 1.5 mmol。
3）将前驱体溶液加入到反应釜中，在140℃下进行水热反应24h后，自然冷却至室温。
4）将得到的溶液进行抽滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤3次，在60℃下干燥12h，即得到Co2MnO4/RGO复合材料。
实施例2。
本实施例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的制备方法。
根据实施例1的方法进行，区别仅在于，水热反应温度由140℃升高到220℃，制得Co2MnO4/RGO复合材料。
实施例3。
本实施例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的制备方法。
根据实施例1的方法进行，区别仅在于，水热反应温度由140℃升高到180℃，制得Co2MnO4/RGO复合材料。
实施例4。
本实施例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的制备方法。
根据实施例3的方法进行，区别仅在于，水热反应时间由24 h减少到18 h，制得Co2MnO4/RGO复合材料。
实施例5。
本实施例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的制备方法。
根据实施例3的方法进行，区别仅在于，水热反应时间由24 h增加到30 h，制得Co2MnO4/RGO复合材料。
测试例1。
本测试例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料的表面微观结构。
图1为实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料的扫描电镜（SEM）图，图中可以看到该材料的微结构为水热生长的Co2MnO4包覆在还原氧化石墨烯的表面，具有非常大的比较面积，有效的提高了电极的比表面积和空间利用率，不仅有利于离子的吸附，同时还原氧化石墨烯的高导电性能够使电极上的电荷快速转移，达到有效提高电极材料的比容量的效果。
测试例2。
本测试例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料应用于超级电容器的循环伏安测试。
以各个实施例制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为超级电容器的电极材料，制备三电极体系超级电容器，进行电学测试。如图2所示，为实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料作为超级电容器电极材料的循环伏安图，在3 mol L-1的KOH电解液下，电解材料得到的具有明显氧化还原峰的循环伏安曲线，2 mVs-1到50 mVs-1的扫速下呈现出良好的赝电容行为。
测试例3。
本测试例用于说明本发明的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料应用于超级电容器的比容量测试。
在3 mol L-1的KOH电解液下的三电极体系测试中，在1 Ag-1的电流密度下，各实施例表现出1217~1719 Fg-1的比容量。如图3位实施例3制备的Co2MnO4/RGO复合材料的超级电容器的电极材料的恒电流充放电曲线图，表现为1719 Fg-1的高比容量。

Claims (7)

1.一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述制备方法为将KMnO4、Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O作为合成Co2MnO4原料，通过一步水热法在合成Co2MnO4的同时，并生长在还原氧化石墨烯（RGO）上，形成Co2MnO4/RGO复合材料，并将其作为电极材料应用在超级电容器上，具体制备步骤如下：
（1）将一定量的还原氧化石墨烯加入到5~100 ml的去离子水中，然后超声20 min~3 h，在室温下置磁力搅拌器中搅拌，转速为200-300r/min，搅拌时间为0.5 h~2 h；
（2）称取适量KMnO4、Co(AC)2·4H2O和Mn(AC)2·4H2O，在搅拌条件下分别加入上述还原氧化石墨烯溶液中，继续均匀搅拌0.5 h~3 h，形成前驱体溶液；
（3） 将前驱体溶液加入到反应釜中，在100℃~250℃条件下进行水热反应，反应结束后，自然冷却至室温；
（4） 将得到的溶液进行抽滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤3~5次，在一定温度下干燥6 h~24 h，即得到Co2MnO4/RGO复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述步骤（1）中还原氧化石墨烯的量为10~100 mg。
3.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述步骤（2）中KMnO4与Co(AC)2·4H2O的摩尔比为1:2~1:10。
4.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述步骤（2）中KMnO4与Mn(AC)2·4H2O的摩尔比为1:1~1:4。
5.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述步骤（3）中水热反应的时间为12 h~30 h。
6.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料及其制备方法和应用，其特征在于：所述步骤（4）干燥温度为40℃~90℃。
7.根据权利要求1所述的一种Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用，其特征在于：将所述的Co2MnO4/RGO复合材料作为电极材料应用在超级电容器中，超级电容器比容量为1217 Fg-1~1719 Fg-1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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