CN109748329A - 一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法 - Google Patents

一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法 Download PDF

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本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法。该结构具有通畅的电子传输通道和丰富的边缘结构，有效改善Co3O4的电容特性。本发明采用的制备方法为通过水热法，在生成大量二维Co3O4纳米片的同时，在纳米片层间产生3D开放多级孔洞框架结构，从而形成制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢。

Description

一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型的储能器件，具有大的功率密度、长循环寿命、不污染环境等优势，近些年来越来越受到人们的关注。目前，寻找新的价格便宜且比电容大的电极材料是研究的热点，利用贵金属氧化物做电极材料比电容量非常高，性能优越，但价格昂贵，并且贵金属易对环境造成污染，其使用受到了限制；活性碳等价格便宜但电极内阻较大，不适合用作超级电容器；导电聚合物电容器也具有较高的功率密度，但由于其聚合物一般材料的体积较大，因此其比电容相对较低。
Co3O4因为具有高理论比电容(3560F/g-1)，良好的电化学性能，低的环境污染性和相当高的安全性，而被认为是做超级电容器负极材料的优异候选者之一。然而，已经公开报道的Co3O4纳米颗粒、纳米棒/线/管、纳米球、纳米花、纳米圆盘等结构在循环期间存在低的电导率，小的比表面积和大的体积膨胀的缺点，导致其具有相对小的实际比电容，差的电子传输能力和低的电化学循环稳定性，这极大地限制了其作为超级电容器的电极材料的实际应用。为了克服这个问题，设计更大比表面积、丰富的表面活性位点、通畅的离子传输通道结构的Co3O4，可为电化学活性物质的层间传输提供通道，抑制体积膨胀，从而提升材料的电化学储能性能。
发明内容
本发明为了解决现有Co3O4的比表面积小、体积膨胀大和团聚严重带来的电化学性能衰退的问题，提供一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢及其制备方法，该结构具有通畅的电子传输通道和丰富的边缘结构，有效改善Co3O4的电容特性。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法，其特征在于：所述制备方法为：通过水热法，在生成大量二维Co3O4纳米片的同时，在纳米片层间产生3D开放多级孔洞框架结构，从而形成制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢。
所制备方法的具体步骤包括：
步骤一：用电子天平称取3-5mmol Co(NO3)2·6H2O或COCl2·6H2O、0.03-0.05mmolCTAB(葡萄糖)，用量筒量取5-7mL氨水和40-70mL去离子水加入到100ml的烧杯中，超声搅拌10-30min；
步骤二：将搅拌均匀的溶液置于不锈钢水热反应釜中，100-130℃保温10-12h得到粉色前驱体，洗涤至中性，60℃干燥6小时，得到粉色Co(OH)2前驱体；
步骤三：将得到的粉色Co(OH)2前驱体置于真空管式炉中，Ar保护下500℃煅烧3h，最终得到Co3O4材料。
所述的制备方法制得的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
第一，本发明二维片层自分散材料在拥有平面尺寸的同时还能保持高孔隙率，克服现有的Co3O4存在的比表面积小、体积膨胀大和团聚严重带来的电化学性能衰退的问题；
第二，本发明Co3O4纳米片表面高度暴露的边缘提供了大量的电活性位点，进一步提高电子捕获能力并加快反应动力学，克服现有技术存在的实际比电容相对较小的问题；
第三，本发明具有通畅的离子传输通道结构，可为电化学活性物质的层间传输提供通道，抑制体积膨胀，从而克服电子传输能力差的问题。
附图说明
图1是实施例1制备的Co3O4SEM图；
图2是实施例2制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢SEM图；
图3是实施例3制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢SEM图；
图4实施例3制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4XRD；
图5实施例3Co3O4的CV曲线；
图6实施例3Co3O4的充放电曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法：
(1)用电子天平称取4mmol CoCl2·6H2O，用量筒量取6mL氨水和60mL去离子水加入到100ml的烧杯中，超声搅拌20min；
(2)将搅拌均匀的溶液置于不锈钢水热反应釜中，100℃保温10h得到粉色前驱体，洗涤至中性，60℃干燥6小时，得到粉色Co(OH)2前驱体；
(3)将得到的粉色Co(OH)2前驱体置于真空管式炉中，Ar保护下400℃煅烧3h，最终得到Co3O4材料。
本发明超级电容测试电极的制备方法：
(1)将泡沫镍裁成15mm×20mm，放进盛有浓度为2M的盐酸的烧杯中浸泡12h，将浸泡好的泡沫镍放入盛有丙酮的烧杯中超声处理30min，再放入盛有无水乙醇的烧杯中超声处理30min，取出烘干，用电子天平称量泡沫镍的质量，以便于电化学测试过程中计算泡沫镍上负载的活性材料的质量。然后按照活性物质：PTFE(聚四氟乙烯)：导电碳黑质量比＝8：1：1的比例配置成均匀的浆料。然后将其均匀涂敷于清洗干净的泡沫镍上，干燥箱中70℃烘干，利用差量法计算负载的活性物质的质量；
(2)在三电极电化学工作站上测试电化学性能，以pt片和Hg/HgO分别为对电极和参比电极，电解质溶液为3M的KOH，在20mV/s的扫描速率下得到的循环伏安曲线图，恒流充放电时的电流密度选用为1A/g。
实施例2：
一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法：
(1)用电子天平称取5mmol CoCl2·6H2O、加入0.05mmol葡萄糖(CTAB)，用量筒量取7mL氨水和70mL去离子水加入到100ml的烧杯中，超声搅拌30min；
(2)将搅拌均匀的溶液置于不锈钢水热反应釜中，130℃保温12h得到粉色前驱体，洗涤至中性，60℃干燥6小时，得到粉色Co(OH)2前驱体；
(3)将得到的粉色Co(OH)2前驱体置于真空管式炉中，Ar保护下600℃煅烧3h，最终得到Co3O4材料。
本发明超级电容测试电极的制备方法：
(1)将泡沫镍裁成15mm×20mm，放进盛有浓度为2M的盐酸的烧杯中浸泡12h，将浸泡好的泡沫镍放入盛有丙酮的烧杯中超声处理30min，再放入盛有无水乙醇的烧杯中超声处理30min，取出烘干，用电子天平称量泡沫镍的质量，以便于电化学测试过程中计算泡沫镍上负载的活性材料的质量。然后按照活性物质：PTFE(聚四氟乙烯)：导电碳黑质量比＝8：1：1的比例配置成均匀的浆料。然后将其均匀涂敷于清洗干净的泡沫镍上，干燥箱中70℃烘干，利用差量法计算负载的活性物质的质量；
(2)在三电极电化学工作站上测试电化学性能，以pt片和Hg/HgO分别为对电极和参比电极，电解质溶液为3M的KOH，在20mV/s的扫描速率下得到的循环伏安曲线图，恒流充放电时的电流密度选用为1A/g。
实施例3：
一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法：
(1)用电子天平称取4mmol Co(NO3)2·6H2O、加入0.04mmol葡萄糖(CTAB)，用量筒量取6mL氨水和60mL去离子水加入到100ml的烧杯中，超声搅拌20min。
(2)将搅拌均匀的溶液置于不锈钢水热反应釜中，120℃保温12h得到粉色前驱体，洗涤至中性，60℃干燥6小时，得到粉色Co(OH)2前驱体。
(3)将得到的粉色Co(OH)2前驱体置于真空管式炉中，Ar保护下500℃煅烧3h，最终得到Co3O4材料。
本发明超级电容测试电极的制备方法：
(1)将泡沫镍裁成15mm×20mm，放进盛有浓度为2M的盐酸的烧杯中浸泡12h，将浸泡好的泡沫镍放入盛有丙酮的烧杯中超声处理30min，再放入盛有无水乙醇的烧杯中超声处理30min，取出烘干，用电子天平称量泡沫镍的质量，以便于电化学测试过程中计算泡沫镍上负载的活性材料的质量。然后按照活性物质：PTFE(聚四氟乙烯)：导电碳黑质量比＝8：1：1的比例配置成均匀的浆料。然后将其均匀涂敷于清洗干净的泡沫镍上，干燥箱中70℃烘干，利用差量法计算负载的活性物质的质量；
(2)在三电极电化学工作站上测试电化学性能，以pt片和Hg/HgO分别为对电极和参比电极，电解质溶液为3M的KOH，在20mV/s的扫描速率下得到的循环伏安曲线图，恒流充放电时的电流密度选用为1A/g。
以实施例3得到的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢，进行相关实验，结果如下：
(a)二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢SEM图：
参见图3，呈现二维片层状结构，Co3O4片层相互有序交织在一起，相邻的片层之间存在一定的间距，具有多级孔结构，抑制了二维Co3O4片间的堆叠。
如果在制备过程中不使用形貌控制剂CTAB(实施例1),所制备的Co3O4呈现规则的棱柱结构，表面未生成孔隙,参见图1。如果在制备过程中以CoCl2为钴源，同时使用形貌控制剂CTAB(实施例2),所制备的Co3O4呈现二维片层结构，相邻的片层之间相互交织形成自支撑的孔隙结构，也抑制了二维Co3O4片间的堆叠，但不是纳米鸟巢状结构，参见图2。由此表明，形貌控制剂和钴源种类对二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的生长起着决定作用。
(b)二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的XRD图：
参见图4，图中所示衍射峰2θ＝31.2°、36.9°、44.8°、59.4°和65.3°分别对应立方相Co3O4的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面，无其他杂相生成，表明该水热法制备了纯Co3O4材料。
(c)二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的电化学特性：
参见图5，实施例3制备的超级电容器电极的循环伏安曲线，该曲线呈现不规则的闭合曲线，且出现了明显的氧化还原峰，说明样品的比电容主要来源于活性物质在电解质中发生的快速且可逆的氧化还原反应。
参见图6计算得出，实施例3所制备的超级电容器电极的比电容达到393F/g，比电容值高于其他文献报道值。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法，其特征在于：所述制备方法为：通过水热法，在生成大量二维Co3O4纳米片的同时，在纳米片层间产生3D开放多级孔洞框架结构，从而形成制备的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢。
2.根据权利要求1所述的一种二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢的制备方法，其特征在于：所制备方法的具体步骤包括：
步骤一：用电子天平称取3-5mmol Co(NO3)2·6H2O或COCl2·6H2O、0.03-0.05mmol CTAB（葡萄糖），用量筒量取5-7mL氨水和40-70mL去离子水加入到100ml的烧杯中，超声搅拌10-30min；
步骤二：将搅拌均匀的溶液置于不锈钢水热反应釜中，100-130℃保温10-12h得到粉色前驱体，洗涤至中性，60℃干燥6小时，得到粉色Co(OH)2前驱体；
步骤三：将得到的粉色Co(OH)2前驱体置于真空管式炉中，Ar保护下500℃煅烧3h，最终得到Co3O4材料。
3.如权利要求1所述的制备方法制得的二维高孔隙率自分散的Co3O4纳米鸟巢。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114105218A (zh) * 2021-11-30 2022-03-01 泉州市云箭测控与感知技术创新研究院 一种鸟巢形四氧化三钴材料的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102412397A (zh) * 2011-10-20 2012-04-11 上海应用技术学院 一种Co3O4纳米片状材料及其制备方法和应用
CN104495956A (zh) * 2014-12-10 2015-04-08 北京化工大学 一种通过改变阴离子实现四氧化三钴形貌可控的制备方法
CN105668649A (zh) * 2016-01-08 2016-06-15 昆明理工大学 一种立方形貌纳米Co3O4催化剂的制备方法及其应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102412397A (zh) * 2011-10-20 2012-04-11 上海应用技术学院 一种Co3O4纳米片状材料及其制备方法和应用
CN104495956A (zh) * 2014-12-10 2015-04-08 北京化工大学 一种通过改变阴离子实现四氧化三钴形貌可控的制备方法
CN105668649A (zh) * 2016-01-08 2016-06-15 昆明理工大学 一种立方形貌纳米Co3O4催化剂的制备方法及其应用

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHI-HAO CHEN等: "Amperometric determination of NADH with Co3O4 nanosheet modified electrode", 《BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS》 *
G. RAJESHKHANNA等: "Charge storage, electrocatalytic and sensing activities of nest-like nanostructured Co3O4", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》 *
LIANGPENG ZENG等: "Effects of Co3O4 nanocatalyst morphology on CO oxidation: Synthesis process map and catalytic activity", 《CHINESE JOURNAL OF CATALYSIS》 *
MING-LI YIN等: "Synthesis of Co3O4 Multilayer Nanosheet Material and Its Promising Gas Sensing Property", 《ADVANCED MATERIALS RESEARCH》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114105218A (zh) * 2021-11-30 2022-03-01 泉州市云箭测控与感知技术创新研究院 一种鸟巢形四氧化三钴材料的制备方法

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