石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料及其制备方法，该复合电极材料以边缘或两面生长针状Co3O4的单层石墨烯为负载骨架，其纳米片层平面尺寸为1～50μm，制备方法是用改性的Hummers方法制备氧化石墨，然后超声处理得到氧化石墨烯，将氧化石墨烯制备成复合电极材料前驱体，将前驱体在惰性气氛下退火得到复合电极材料。本发明专利技术提供的复合电极材料的制备方法简单绿色，该复合电极材料的典型结构为针状Co3O4与石墨烯表面或侧面复合，形成一种准二维的纳米结构，针状Co3O4可以通过原位负载在石墨烯片层上，提高了Co3O4循环寿命，比电容等良好的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施方式涉及一种作为超级电容器的石墨烯二维复合材料，更具体地，本专利技术的实施方式涉及一种通过水热合成石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料及其制备方法，属于能源材料领域。 
技术介绍
近年来，能源的大量消耗、环境污染日益严重以及全球性温室效应等一系列问题的出现，探索清洁的、可持续性使用的新能源成为各国科技人员工作的重点。目前，新能源主要包括风能、太阳能、核能、氢能等，而它们不连续性、不稳定性的特点阻碍了它们的发展，因此迫切需要寻找一种储能设备来解决这个问题。超级电容器又名电化学电容器，是一种介于蓄电池与传统电容器之间的一种储能设备。超级电容器因其具有功率密度高、使用寿命长、充电时间短以及可逆性好等优异特点受到了很多科学家的青睐，在电动汽车、航空航天、国防科技等领域具有广泛的应用。根据电荷的储能机理可分为：一种是双电层电容器，它是将电解质中的离子可逆吸附到活性材料上来存储电荷的电容器，主要指比表面积高的碳材料；2004年，英国曼彻斯特大学教授安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫最早制作出石墨烯后，以其比表面积大、导电性好等优异特点被应用在电极材料中，但其比电容不高；另一种是赝电容电容器，它是使用快速的近表面反应来存储电荷，其中包括过渡金属氧化物和导电聚合物。过渡金属氧化物常见的材料有RuO2、MnO2、Co3O4和NiO等，以RuO2为电极材料价格昂贵，不宜扩大范围使用；贱金属氧化物导电性差，会导致较低的功率密度， 目前许多研究用石墨烯与纳米金属氧化物制备成复合材料。  Co3O4作为一种金属氧化物，具有原料丰富、价格低廉、理论比电容高等优点。但是由于其导电性较差、循环性能不好等缺陷，因此解决这个问题后对电容器电极材料制备具有重要的价值意义。 
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种石墨烯原位负载针状Co3O4符合电极材料及其制备方法的实施方式，来克服Co3O4作为超级电容器电极材料的缺陷，从而制备出循环寿命长、比电容高、绿色环保、方法简单容易的电极材料。  为解决上述的技术问题，本专利技术的一种实施方式采用以下技术方案：  一种石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的制备方法，包含以下步骤：  (1)通过改性的Hummers方法将石墨制备氧化石墨；  (2)将所得氧化石墨超声处理得到氧化石墨烯；  (3)将六水硝酸钴、氟化铵和尿素溶解于适量的去离子水中，搅拌至无明显颗粒，然后加入所得氧化石墨烯，室温下混合均匀；  (4)将混合均匀所得的溶液转入反应釜中，100～200℃恒温反应2～20小时，离心，洗涤，收集沉淀；  (5)将所得沉淀干燥，然后磨碎，得到粉末状复合电极材料前驱体；  (6)将粉末状复合电极材料前驱体在惰性气氛下、300～500℃退火2.5～3.5小时即获得复合电极材料成品。  进一步的技术方案是：所述改性的Hummers方法制备氧化石墨的操作步骤为：  a、预氧化：将石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷依次加入浓硫酸中，60～ 85℃反应4～7小时合成深蓝色混合物，抽滤洗涤至PH为7，80℃真空干燥过夜；  b、二次氧化：将预氧化后的石墨粉在冰水浴下加入浓硫酸中，然后将高锰酸钾缓慢加入浓硫酸中，保持温度小于20℃，搅拌1～2.5小时，35℃搅拌2～3.5小时，加入2倍浓硫酸体积的去离子水进行稀释得到稀释混合液，升温至95℃搅拌1.5小时，加入重量百分比为30％的H2O2反应半小时后，观察到混合溶液颜色变成亮黄色，此时反应结束；  所述浓硫酸是指硫酸质量百分含量不小于70％的硫酸溶液。  c、将二次氧化所得的产品依次用稀盐酸和去离子水分别洗涤3次，得到氧化石墨水溶液。  所述稀盐酸即为质量分数低于38％的盐酸溶液，优选使用HCl与H2O的体积之比为1:(10～30)的稀盐酸。  更进一步的技术方案是：所述石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸的质量之比为1:(1～3):(1～2):(1～12)。  更进一步的技术方案是：所述预氧化后的石墨粉与浓硫酸、高锰酸钾的质量之比为1:(30～85):(3～6)。  更进一步的技术方案是：所述超声处理的功率为60～150W，超声时间为0.5～2小时。  更进一步的技术方案是：步骤(3)所述六水硝酸钴、氟化铵、尿素和氧化石墨烯的重量之比为(1～3.6):1:(1～2.5):(7～13)。  更进一步的技术方案是：步骤(4)所述洗涤所使用的洗涤液及洗涤次数分别为：去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤3次。  更进一步的技术方案是：步骤(5)所述干燥的温度为60～80℃，干燥的方法为采用鼓风干燥烘箱干燥。  一种石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料，采用如权利要求1～8所述的制备方法制得，所述复合电极材料以单层石墨烯作为负载骨架，负载骨架的边缘或两面生长针状的Co3O4，所述针状的Co3O4长0.2～1μm，所述复合电极材料的纳米片层平面尺寸为1～50μm。纳米片层平面尺寸是指该纳米片层的直径。  与现有技术相比，本专利技术的有益效果之一是：本专利技术提供了一种简单绿色合成的方法及具有独特结构的石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料，其典型特征为针状Co3O4与石墨烯表面或侧面复合，形成一种准二维的纳米结构。作为复合材料中的基底，石墨烯具有优异的导电性和比表面积大的优势，针状Co3O4可以通过原位负载在石墨烯片层上，提高了Co3O4循环寿命，比电容等良好的电化学性能。  附图说明 图1为本专利技术石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的SEM图片。  图2为本专利技术石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的XRD图谱。  图3为本专利技术石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的TEM图片。  图4为本专利技术石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的循环寿命曲线。  具体实施方式 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。  实施例1  (1)氧化石墨烯的制备  将5.0g天然石墨粉、5.0g过硫酸钾(K2S2O8)和10.0g五氧化二磷(P2O5)依次加入到33mL的浓硫酸中，80℃保温6h；冷却至室温，用去离子水稀释，抽滤洗涤至PH为7，然后80℃真空干燥过夜。称取预氧化石墨2.5g、高锰酸钾(KMnO4)7.5g依次加入0℃40mL浓硫酸中，先在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)通过改性的Hummers方法将石墨制备氧化石墨；(2)将所得氧化石墨超声处理得到氧化石墨烯；(3)将六水硝酸钴、氟化铵和尿素溶解于适量的去离子水中，搅拌至无明显颗粒，然后加入所得氧化石墨烯，室温下混合均匀；(4)将混合均匀所得的溶液转入反应釜中，100～200℃恒温反应2～20小时，离心，洗涤，收集沉淀；(5)将所得沉淀干燥，然后磨碎，得到粉末状复合电极材料前驱体；(6)将粉末状复合电极材料前驱体在惰性气氛下、300～500℃退火2.5～3.5小时即获得复合电极材料成品。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的制备方法，其特征在于：包
含以下步骤：
(1)通过改性的Hummers方法将石墨制备氧化石墨；
(2)将所得氧化石墨超声处理得到氧化石墨烯；
(3)将六水硝酸钴、氟化铵和尿素溶解于适量的去离子水中，搅拌至无明
显颗粒，然后加入所得氧化石墨烯，室温下混合均匀；
(4)将混合均匀所得的溶液转入反应釜中，100～200℃恒温反应2～20小
时，离心，洗涤，收集沉淀；
(5)将所得沉淀干燥，然后磨碎，得到粉末状复合电极材料前驱体；
(6)将粉末状复合电极材料前驱体在惰性气氛下、300～500℃退火2.5～
3.5小时即获得复合电极材料成品。
2.根据权利要求1所述的石墨烯原位负载针状Co3O4复合电极材料的制备方
法，其特征在于：所述改性的Hummers方法制备氧化石墨的操作步骤为：
a、预氧化：将石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷依次加入浓硫酸中，60～85
℃反应4～7小时合成深蓝色混合物，抽滤洗涤至PH为7，80℃真空干燥
过夜；
b、二次氧化：将预氧化后的石墨粉在冰水浴下加入浓硫酸中，然后将高锰
酸钾缓慢加入浓硫酸中，保持温度小于20℃，搅拌1～2.5小时，35℃搅
拌2～3.5小时，加入2倍浓硫酸体积的去离子水进行稀释得到稀释混合液，
升温至95℃搅拌1.5小时，加入重量百分比为30％的H2O2反应半小时后，
观察到混合溶液颜色变成亮黄色，此时反应结束；
c、将二次氧化所得的产品依次用稀盐酸和去离子水分别洗涤3次，得到氧
化石墨水溶液。
3.根据权利要求2所述的石墨烯原位负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，官群，程建丽，聂福德，李小东，倪伟，杨光成，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，四川省新材料研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51