CN109859956A - 一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂的碳纳米片‑Co3O4复合材料的制备方法及应用,制备时在明胶溶液中加入三聚氰胺与乙酸钴,在室温中静置,再用液氮冷冻干燥,干燥后再研磨成粉末,将粉末放到管式炉中煅烧,再放到马弗炉中煅烧制得产品。本发明方法采用两步法将Co2+负载到明胶‑三聚氰胺上并形成碳纳米片,具有方法简单,应用范围广和制造成本低等优点,而且得到了在水溶液中无法获得的片状纳米结构。所制备的氮掺杂的碳纳米片‑Co3O4复合材料表现出优良的电化学特性,可用于超级电容器的电极材料。而且该方法适合大批量的生产,应用效果好。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域,具体涉及一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及其在超级电容器中的应用。
背景技术
超级电容器是一种高效、实用的能量储存装置,具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点。随着能源短缺和环境污染问题的日益突出,环保无污染、高循环使用寿命的超级电容器成为当今能源领域研究的热点。
目前,影响超级电容器发展的关键因素主要有电极材料、电解液和膈膜等,其中电极材料的制备直接决定了电容器容量的大小,也是影响超级电容器最为关键的因素之一。根据电极材料的差异,可分为碳基、Co3O4、导电聚合物和杂多酸等超级电容器;其中Co3O4不仅价格低廉,来源广泛,而且具有多种电子价态,优良的储能特性而备受关注。因此,Co3O4成为超级电容器领域应用最广泛的电极材料之一,其主要利用氧化物价态的变化形成的法拉第赝电容储能。
因此,制备新型氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,对发展高性能的超级电容器具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料和制备方法,及其在超级电容器中的应用。
本发明一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法,采用天然高分子聚合物明胶和三聚氰胺作为前躯体,明胶和三聚氰胺吸附了Co离子后,再进行高温煅烧,得到氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
本发明一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)取一定量的明胶溶于50-60℃水中,搅拌至溶液澄清;
(2)取一定量的三聚氰胺加入到步骤(1)的水溶液中,搅拌反应;
(3)取一定量的乙酸钴加入到步骤(2)的水溶液中,搅拌反应;
(4)将步骤(3)的混合溶液在室温中静置12-24 h,然后混合溶液用液氮冷冻干燥,干燥后研磨成粉末,将粉末放到管式炉中煅烧;
(5)再将步骤(4)的粉末放到马弗炉中煅烧,制得氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
上述制备方法中,步骤(1)所述明胶与水的质量比为:1:25;
步骤(2)所述三聚氰胺与步骤(1)的水溶液的质量比为:1:500;
步骤(3)所述的乙酸钴与步骤(2)的水溶液的质量比为:1:25;
步骤(4)所述管式炉的升温速率设定为3-5℃/min,温度到达800-1000℃,保温2-3h;
步骤(5)所述马弗炉的升温速率设定3-5℃/min,温度到达250-500℃,保温0.5-2h。
采用本发明制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,其Co3O4均匀地分布在氮掺杂的碳纳米片上,复合材料呈现片状结构。
采用本发明制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,具有良好的储能特性,可用于超级电容器的电极材料,应用时在0.1-0.5 V范围内充放电,在放电电流密度为2 A/g时,比电容为800-1000 F/g。
本发明制备方法的原理是:乙酸钴中的钴离子与三聚氰胺中的铵基发生反应,将Co2+ 离子均匀地负载在明胶-三聚氰胺树脂表面上,得到了在水溶液中无法获得的片状碳纳米结构的金属复合材料。
本发明的有益效果如下:
1、本发明方法采用原位还原、氧化法合成氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,方法简单;
2、本发明方法是通过将乙酸钴溶解在明胶-三聚氰胺树脂内,形成均一稳定混合物,再冷冻干燥,还原氧化制得,没有副产物产生,对环境友好;钴金属有步骤地添加,得到了片状的纳米片,具有较大的比表面积,有利于电化学性能提升;
3、通过马弗炉煅烧氧化,将Co氧化成Co3O4,Co3O4掺杂在明胶三聚氰胺树脂上,增加复合材料的比电容;
4、应用效果好:合成的碳纳米片- Co3O4复合材料,内电阻小,循环稳定;
5、制备工艺简单,产品性能稳定,适合大批量的制备,而且后处理工艺简单。
附图说明
图1为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的XRD图;
图2为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的透射电镜照片;
图3为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的充放电曲线图。
具体实施例
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的详细说明,但不是对本发明的限定。
实施例
制备氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,具体步骤如下:
(1)按明胶与水的质量比为:1:25,取明胶1g 溶于60℃、 25 mL水中,搅拌至溶液澄清;
(2)再取三聚氰胺0.05 g加入到步骤(1)水溶液中,搅拌反应;
(3)取乙酸钴1 g加入到步骤(2)中,搅拌反应;
(4)将步骤(3)的混合溶液在室温中静置24 h;然后混合溶液用液氮冷冻干燥后,干燥后再研磨成粉末,将粉末放到管式炉中煅烧;管式炉的升温速率设置为5℃/min,温度到达800℃,保温2 h;
(5)再将步骤(4)的粉末放到马弗炉进行煅烧,马弗炉的升温速率设置为5℃/min;温度到达250℃,保温0.5 h,制成氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料经XRD测试如图1所示,从图中可以看出钴的氧化物的晶体结构为Co3O4。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料经透射电镜测试所得微观形貌如图2所示,从图中可以看出纳米粒子很好的分散到多孔碳上,呈现片状结构。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料的电化学性能测试,具体方法为:称取0.08g 氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料、0.01 g乙炔黑和0.01 g聚四氟乙烯微粉,置于小玛瑙碾钵中,加入0.5 mL无水乙醇进行研磨;以10 kPa的压力将研磨后的样品与1 mm厚的泡沫镍集流体压制,在空气中、室温下干燥,裁切成2 cm × 3 cm,制得超级电容器电极,测试其比电容。
检测结果如图3所示,可知:在0.1-0.5 V范围内充放电,在放电电流密度为2 A/g时,氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料超级电容器电极比电容可以达到814 F/g,表明氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料具有良好的超级电容性能。
Claims (5)
1.一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法,其特征在于:采用天然高分子聚合物明胶和三聚氰胺作为前躯体,明胶和三聚氰胺吸附了Co离子后,再进行高温煅烧,得到氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
(1)取一定量的明胶溶于50-60℃水中,搅拌至溶液澄清;
(2)取一定量的三聚氰胺加入到步骤(1)的水溶液中,搅拌反应;
(3)取一定量的乙酸钴加入到步骤(2)的水溶液中,搅拌反应;
(4)将步骤(3)的混合溶液在室温中静置12-24 h,然后混合溶液用液氮冷冻干燥,干燥后再研磨成粉末,将粉末放到管式炉中煅烧;
(5)再将步骤(4)的粉末放到马弗炉中煅烧,制得氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法,其特征在于:
步骤(1)所述明胶与水的质量比为:1:25;
步骤(2)所述三聚氰胺与步骤(1)的水溶液的质量比为:1:500;
步骤(3)所述的乙酸钴与步骤(2)的水溶液的质量比为:1:25;
步骤(4)所述管式炉的升温速率设定为3-5℃/min,温度到达800-1000℃,保温2-3h;
步骤(5)所述马弗炉的升温速率设定3-5℃/min,温度到达250-500℃,保温0.5-2h。
4.根据权利要求1-3所述制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料,其特征在于:所述复合材料呈现片状结构,Co3O4均匀地分布在氮掺杂的碳纳米片上。
5.根据权利要求1-3所述制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的应用,其特征在于:所述复合材料用于超级电容器的电极材料,应用时在0.1-0.5 V范围内充放电,在放电电流密度为2 A/g时,比电容为800-1000 F/g。
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