三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料及其制备方法，其以超薄纳米片联成的四氧化三钴纳米刷子作为骨架结构，超薄纳米片的表面紧贴有超薄的石墨烯膜形成四氧化三钴-石墨烯长片，所述的四氧化三钴-石墨烯两长片之间嵌入镍钴双氢氧化物纳米片。本发明专利技术的有益效果是：该种复合电极材料具有非常优异的电子传输和离子扩散能力，最后使得该种复合电极材料具有非常优异的倍率性能。循环稳定性也得到了非常好的提高；本发明专利技术采用的是简单的水热法，烧结法结合两步优化的电沉积方法，并且制备得到的材料纯度非常高、均一性非常好。

【技术实现步骤摘要】
三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及一种三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料及其制备方法，该复合材料可作为超级电容器活性材料。
技术介绍
随着能源需求的不断增长，探索具备优良性能的新型清洁能源材料已成为当今的一个挑战。四氧化三钴，氢氧化钴和氢氧化镍作为超级电容器赝电容材料，它们具有极高的理论比容量、易于制备、环境友好等优点，已逐渐成为世界范围内的广泛研究。同时石墨烯作为一种具有极高电导率的碳材料也经常用于和超级电容器电极材料复合，以此来提高电极材料的倍率性能。为了获得具备优异性能的超级电容器电极材料，许多的关于过渡金属氧化物(二氧化锰，二氧化钌，四氧化三钴，氧化镍，二氧化钼等)/过渡金属氧化物的复合，金属氧化物/金属氢氧化物的复合，金属氧化物/碳基材料和金属氧化物/导电聚合物的复合已经被研究和报道，并且也取得了一定的成果和解决一些超级电容器发展面临的问题。然而，这些复合的超级电容器电极材料还是不能达到作为优异清洁能源材料的要求。最重要的就是对于目前的复合结构电极材料研究而言，获得具有超高综合电化学性能的电极材料，(如高的比容量，很好的高倍率性能，极好的充放电可逆性和循环稳定性)依然是一个非常大的挑战。就目前所报道的文献来看，还没有研究人员在满足单位面积高的活性物质负载量的情况下，得到的电极活性材料依然具有上面所述的综合的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种工艺简单、符合绿色化学的要求、具有优良电化学性能的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其以超薄纳米片联成的四氧化三钴纳米刷子作为骨架结构，超薄纳米片的表面紧贴有超薄的石墨烯膜形成四氧化三钴-石墨烯长片，所述的四氧化三钴-石墨烯两长片之间嵌入镍钴双氢氧化物纳米片,其采用下述方法制得，包括有以下步骤：1)以泡沫镍为电极基片，浸泡到0.1mol/L的稀硫酸中超声预处理，取出后用去离子水超声洗涤，然后将洗涤过的电极基片烘干备用；2)将0.2-1.0g六水合硝酸钴和0.2-1.0g尿素溶解在70ml去离子水中搅拌形成澄清溶液；3)将步骤2)得到的澄清溶液和步骤1)中处理好的泡沫镍转入反应釜中进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温，取出泡沫镍，超声，烘干，然后在氩气和空气中烧结，得到四氧化三钴电极材料；4)将步骤3)中得到的四氧化三钴电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，30毫升以哈莫法制备得到的石墨烯和3.58克磷酸氢二钠的100毫升溶液作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗得到四氧化三钴-石墨烯电极材料；5)将步骤4)中得到的四氧化三钴-石墨烯电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，硝酸钴和硝酸镍作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗，烘干得到三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料。按上述方案，步骤2)所述的六水合硝酸钴为0.291g,尿素为0.3g。按上述方案，步骤3)所述的反应温度为120℃，反应时间为9小时。按上述方案，步骤3)所述的氩气中烧结温度为450℃，烧结时间为5小时，空气中烧结温度为300℃，烧结时间为5小时。按上述方案，步骤4)所述的沉积电流为1mA·cm-2，沉积时间为10分钟。按上述方案，步骤5)中所述的电解液的浓度为0.01-0.05mol/L硝酸钴和0.005-0.025mol/L硝酸镍，沉积电流为1-5mA·cm-2，沉积时间为4-20分钟。所述三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的制备方法，包括有以下步骤：1)以泡沫镍为电极基片，浸泡到0.1mol/L的稀硫酸中超声预处理，取出后用去离子水超声洗涤，然后将洗涤过的电极基片烘干备用；2)将0.2-1.0g六水合硝酸钴和0.2-1.0g尿素溶解在70ml去离子水中搅拌形成澄清溶液；3)将步骤2)得到的澄清溶液和步骤1)中处理好的泡沫镍转入反应釜中进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温，取出泡沫镍，超声，烘干，然后在氩气和空气中烧结，得到四氧化三钴电极材料；4)将步骤3)中得到的四氧化三钴电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，30毫升以哈莫法制备得到的石墨烯和3.58克磷酸氢二钠的100毫升溶液作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗得到四氧化三钴-石墨烯电极材料；5)将步骤4)中得到的四氧化三钴-石墨烯电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，硝酸钴和硝酸镍作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗，烘干得到三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料。所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料作为超级电容器电极活性材料的应用。本专利技术的有益效果是：三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料充分保留了四氧化三钴和镍钴双氢氧化物高的比容量的优势，石墨烯薄膜作为中间部分，可以作为该三维网络结构中电子传导的高速通道。同时，该种结构是三维网络结构，镍钴双氢氧化物纳米片嵌入在四氧化三钴-石墨烯两长片之间，使得该种复合电极材料具有非常优异的电子传输和离子扩散能力，最后使得该种复合电极材料具有非常优异的倍率性能。而且，由于双氢氧化物纳米片很好的嵌入在四氧化三钴-石墨烯两长片之间，最后的循环稳定性也得到了非常好的提高；本专利技术采用的是简单的水热法，烧结法结合两步优化的电沉积方法，并且制备得到的材料纯度非常高、均一性非常好。本专利技术工艺简单，制备得到的电极材料电化学性能十分优异，符合市场上对超级电容器电极材料性能的要求，非常有利于市场化推广。附图说明图1是实施例1的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的合成机理图；图2是实施例1的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的X-射线衍射图；图3是实施例1中步骤3)得到的四氧化三钴和步骤4)得到的四氧化三钴-石墨烯电极材料的傅立叶红外光谱图；图4是实施例1中步骤4)得到的四氧化三钴-石墨烯的X-射线能谱图；图5是四氧化三钴-石墨烯和三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的SEM图，其中图5a和图5b分别是实施例1中步骤4)得到的四氧化三钴-石墨烯和步骤5)得到的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的SEM图；图6是四氧化三钴石墨烯和三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的TEM图，其中图6a和图6b分别是实施例1中步骤4)得到的四氧化三钴石墨烯和步骤5)得到的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的TEM图；图7是实施例1的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的倍率性能图；图8是实施例1中步骤3)得到的纳米刷子形貌的四氧化三钴，步骤4)中得到的四氧化三钴-石墨烯和步骤5)中得到的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料的循环性能图。具体实施方式为了更本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维网络结构Co3O4‑石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其以超薄纳米片联成的四氧化三钴纳米刷子作为骨架结构，超薄纳米片的表面紧贴有超薄的石墨烯膜形成四氧化三钴‑石墨烯长片，所述的四氧化三钴‑石墨烯两长片之间嵌入镍钴双氢氧化物纳米片,其采用下述方法制得，包括有以下步骤：1)以泡沫镍为电极基片，浸泡到0.1mol/L的稀硫酸中超声预处理，取出后用去离子水超声洗涤，然后将洗涤过的电极基片烘干备用；2)将0.2‑1.0g六水合硝酸钴和0.2‑1.0g尿素溶解在70ml去离子水中搅拌形成澄清溶液；3)将步骤2)得到的澄清溶液和步骤1)中处理好的泡沫镍转入反应釜中进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温，取出泡沫镍，超声，烘干，然后在氩气和空气中烧结，得到四氧化三钴电极材料；4)将步骤3)中得到的四氧化三钴电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，30毫升以哈莫法制备得到的石墨烯和3.58克磷酸氢二钠的100毫升溶液作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗得到四氧化三钴‑石墨烯电极材料；5)将步骤4)中得到的四氧化三钴‑石墨烯电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，硝酸钴和硝酸镍作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗，烘干得到三维网络结构Co3O4‑石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料。...

【技术特征摘要】
1.三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其以超薄纳米片联成的四氧化三钴纳米刷子作为骨架结构，超薄纳米片的表面紧贴有超薄的石墨烯膜形成四氧化三钴-石墨烯长片，所述的四氧化三钴-石墨烯两长片之间嵌入镍钴双氢氧化物纳米片,其采用下述方法制得，包括有以下步骤：1)以泡沫镍为电极基片，浸泡到0.1mol/L的稀硫酸中超声预处理，取出后用去离子水超声洗涤，然后将洗涤过的电极基片烘干备用；2)将0.2-1.0g六水合硝酸钴和0.2-1.0g尿素溶解在70ml去离子水中搅拌形成澄清溶液；3)将步骤2)得到的澄清溶液和步骤1)中处理好的泡沫镍转入反应釜中进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温，取出泡沫镍，超声，烘干，然后在氩气和空气中烧结，得到四氧化三钴电极材料；4)将步骤3)中得到的四氧化三钴电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，30毫升以哈莫法制备得到的石墨烯和3.58克磷酸氢二钠的100毫升溶液作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗得到四氧化三钴-石墨烯电极材料；5)将步骤4)中得到的四氧化三钴-石墨烯电极材料作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，硝酸钴和硝酸镍作为电解液，进行沉积，结束后取出工作电极，用去离子水冲洗，烘干得到三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料。2.根据权利要求1所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其特征在于，步骤2)所述的六水合硝酸钴为0.291g,尿素为0.3g。3.根据权利要求1所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其特征在于，步骤3)所述的反应釜中进行反应的反应温度为120℃，反应时间为9小时。4.根据权利要求1所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其特征在于，步骤3)所述的氩气中烧结温度为450℃，烧结时间为5小时，空气中烧结温度为300℃，烧结时间为5小时。5.根据权利要求1所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其特征在于，步骤4)所述的沉积电流为1mA·cm-2，沉积时间为10分钟。6.根据权利要求1所述的三维网络结构Co3O4-石墨烯@镍钴双氢氧化物复合材料，其特征在于，步骤5)中所述的电解液的浓度为0.01-0.05mol/L硝酸钴和0.005-0.025mol/L硝酸镍，沉积电流为1-5mA·cm-2，沉积时间为4-20分...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，瞿龙兵，杨超，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42