CN109859956B - 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 PDF

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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

一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用
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 (3)

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；
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；
所述明胶与水的质量比为：1:25；
（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；
所述三聚氰胺与步骤（1）的水溶液的质量比为：1:500；
（3）取一定量的乙酸钴加入到步骤（2）的水溶液中，搅拌反应；
所述的乙酸钴与步骤（2）的水溶液的质量比为：1:25；
（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；
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；
（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；
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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1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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