本发明专利技术公开了一种三维石墨烯/氢氧化钴复合电极的制备及其电容性能的研究，通过恒电位沉积法在碳糊电极表面得到三维石墨烯/氢氧化钴复合材料，利用扫描电镜对所述的复合材料进行形貌表征，结果显示该复合材料呈现三维多孔网状结构。以三维石墨烯/氢氧化钴复合材料为电极材料，通过电化学方法研究所述电极材料的储能机理，结果显示该电极材料在电流密度为5 mA/cm2时比电容为730.23 mF/cm2，在大电流密度下进行3000次循环充放电时比电容保持率达80 %，说明三维石墨烯/氢氧化钴复合材料具有良好的循环稳定性，适合用做超级电容器的电极材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超级电容器电极材料的制备方法及其电容性能测试的方法。
技术介绍
根据储能机理可以将超级电容器分为双电层超级电容器和法拉第赝电容超级电容器两类。目前在商业上比较常见的是基于碳材料的双电层超级电容器，它利用电解质离子在大比表面积的碳材料表面形成双电层来进行能量的存储。赝电容超级电容器的电极材料一般是具有大比表面积的电活性材料，这些材料在电解液中发生快速可逆的氧化还原反应，从而在电极表面完成大量电荷的储存和释放过程。近年来关于法拉第赝电容器的研究较多，多采用氧化钌、氧化铱等贵金属氧化物作为电极材料，但由于其价格昂贵不易实现商品化。镍、钴和锰等过渡金属化合物也具有和氧化钌相似的性质，倍受研究人员的关注。工作电极的作用是存储电荷，因此电极材料的好坏是影响超级电容器电容性能和生产成本的主要因素。为满足超级电容器的高功率输出，电极材料应具有高的比电容和优异的倍率性能；为满足超级电容器的循环寿命，电极材料应具有高的充放电可逆性。超级电容器的电极材料多种多样，根据化学组成大致可以分为导电聚合物、碳材料、金属氧化物及其复合材料。碳材料储能的基本原理是通过多孔碳材料与电解质之间的双电层结构来储存电荷。金属氧化物的储能机理是在电极材料与电解液之间的界面和体相中，通过发生可逆的氧化还原反应来产生法拉第赝电容，从而实现能量的连续储存和释放。赝电容超级电容器虽然可以实现高能量存储，但其导电性较差会导致功率密度较低，电极材料在发生氧化还原反应的过程中会在一定程度上出现不可逆现象，影响器件的稳定性和循环寿命。由于石墨烯具有高导电性、高比表面积以及良好的化学稳定性，用石墨烯作赝电容电极材料的载体或包覆材料，可以改善电极材料导电性和循环稳定性差的问题。本专利技术利用电化学沉积法在碳糊电极表面制备三维石墨烯材料，然后通过恒电位沉积法制备氢氧化钴纳米材料，成功得到三维石墨烯/氢氧化钴复合材料，通过扫描电镜对其微观形貌进行表征，用电化学方法测试其电容性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是公布一种简单合成三维石墨烯/氢氧化钴复合材料的方法及其电容性能测试的方法，具体程序是：通过恒电位沉积法在碳糊电极表面依次制备三维石墨烯和氢氧化钴纳米材料，得到三维石墨烯/氢氧化钴复合材料，通过扫描电镜记录所述复合材料的形貌特征。以所述复合材料电极为工作电极构建三电极体系，通过循环伏安法、交流阻抗法和恒电流充放电法研究三维石墨烯/氢氧化钴复合材料的储能机理，测试所述复合材料的电容性能。结果表明三维石墨烯/氢氧化钴复合材料呈现出三维多孔网状结构，能够极大增加了材料与电解液之间的接触面积。在大电流密度下具有很高的能量密度和优异的倍率性能，是一种非常理想的超级电容器电极材料。三维石墨烯/氢氧化钴复合材料修饰电极由碳糊电极（基底层）、三维石墨烯（中间层）和氢氧化钴纳米材料（外层）构成。所述的三维石墨烯是具有丰富褶皱和超薄片层结构组成的三维网络材料的集合体。所述的氢氧化钴纳米材料为连续、三维多孔网格状纳米材料。一种制备三维石墨烯/氢氧化钴复合材料电极的方法，以碳糊电极为基底层，利用恒电位沉积法在基底层表面电沉积得到三维石墨烯中间层，再用恒电位沉积法在三维石墨烯中间层上电沉积得到氢氧化钴纳米材料外层，其具体制备步骤如下：1) 在玛瑙研钵中放入2倍质量的石墨粉与1倍质量的正己基吡啶六氟磷酸盐，混合后研磨均匀得到碳糊，在内径4 mm的玻璃电极管中塞入该碳糊后压实，内插铜线作为导线，在称量纸上打磨成镜面得到碳糊电极(CILE)；2) 超声分散氧化石墨烯和高氯酸锂的混合水溶液得到均一的悬浮液，除去混合溶液中的氧气。以上述混合溶液为电解液，碳糊电极(CILE)为工作电极，构建三电极系统，在碳糊电极表面利用恒电位沉积法得到三维石墨烯（3DGR），取出用蒸馏水清洗后得到3DGR/CILE，真空干燥后备用；3) 以硝酸钴水溶液为电解液，用CILE做工作电极，构建三电极系统。利用恒电位沉积法在CILE表面均匀沉积了氢氧化钴纳米材料，取出后用蒸馏水清洗得到Co(OH)2/CILE，真空干燥后备用；4) 以硝酸钴水溶液为电解液，用3DGR/CILE电极做工作电极，构建三电极系统。利用恒电位法在3DGR/CILE表面均匀沉积了氢氧化钴纳米材料，取出后用蒸馏水清洗得到Co(OH)2/3DGR/CILE，真空干燥备用；5) 以KOH为电解液，分别以步骤1、步骤2、步骤3和步骤4制备的CILE、3DGR/CILE、Co(OH)2/CILE和Co(OH)2/3DGR/CILE为工作电极，构建三电极体系，通过循环伏安测试、恒电流充放电测试和交流阻抗法测试上述工作电极的的电容性能。 步骤1中所陈述的石墨粉和正己基吡啶六氟磷酸盐的总质量不大于10 g；步骤1中所陈述的内径4 mm的玻璃电极管两端需用不同粒径的金相砂纸打磨光滑；步骤1中所陈述的铜线应为无外绝缘皮包裹除锈后的裸露铜线。步骤2中所陈述的混合水溶液中的石墨烯浓度为3.0 mg/mL；步骤2中所陈述的高氯酸锂浓度为0.1 mol/mL；步骤2中所陈述的除去混合溶液中氧气的方法是通入一定量的氮气；步骤2中所陈述的构建的三电极系统包括：工作电极（碳糊电极）、参比电极（饱和甘汞电极）、辅助电极（铂片电极）；步骤2中所陈述的恒电位法制备三维石墨烯的条件为：沉积电位为-1.3 V，沉积时间为300 s；步骤2中所陈述的蒸馏水为二次蒸馏水。步骤3中所陈述的硝酸钴溶液的浓度为0.1 mol/L；步骤3中所陈述的三电极系统为工作电极（CILE）、参比电极（饱和甘汞电极）、辅助电极（铂片电极）；步骤3中所陈述的恒电位沉积氢氧化钴纳米材料的条件为：沉积电位-0.9 V(vs. SCE)，沉积时间为300 s。步骤4中所陈述的硝酸钴溶液浓度为0.1 mol/L；步骤4中所陈述的三电极系统为工作电极（3DGR/CILE电极）、参比电极（饱和甘汞电极）、辅助电极（铂片电极）；步骤4中所陈述的恒电位沉积氢氧化钴纳米材料的条件为：沉积电位-0.9 V(vs. SCE)，沉积时间为100 s ～500 s。步骤5中所陈述的KOH溶液浓度为1.0 mol/L；步骤5所陈述的三电极系统中参比电极为汞/氧化汞电极、辅助电极为铂片电极；步骤5中所陈述的循环伏安测试的电位范围为-0.2～0.6 V，扫描速度为0.04 V/s、0.06 V/s、0.08 V/s、0.1 V/s；步骤5中所陈述的恒电流充放电测试的电位范围为-0.1～0.45 V，电流密度为5 mA/cm2、6 mA/cm2、7 mA/cm2、8 mA/cm2、9 mA/cm2、10 mA/cm2、11 mA/cm2、12 mA/cm2、13 mA/cm2、14 mA/cm2、15 mA/cm2、16 mA/cm2、20 mA/cm2；步骤5中所陈述的交流阻抗测试条件：频率范围为0.1～105 Hz，交流偏压为10 mV。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种简单合成三维石墨烯/氢氧化钴复合材料的方法以及测试该复合材料电容性能的方法。碳糊电极制备方法简单，以其为集流体，具有制备成本低，电位窗口宽，导电性能好等特点。恒电位沉积三维石墨烯本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维石墨烯/氢氧化钴复合电极的制备及其电容性能的研究，包括：制备碳糊电极的方法，制备三维石墨烯/氢氧化钴复合材料的方法，在碳糊电极表面修饰所述复合材料的方法，测试所述复合材料电容性能的方法；其特征在于，包括以下步骤：(1) 将石墨粉与正己基吡啶六氟磷酸盐按一定质量比混合后将其研磨成碳糊，然后将所述的碳糊填入玻璃电极管中压实，得到碳糊电极（CILE）； (2) 配置一定浓度的氧化石墨烯和高氯酸锂的混合溶液，超声至所述混合溶液分散均匀，以该混合溶液为电解液，CILE为工作电极，构建三电极体系，通过恒电位沉积法在CILE表面得到三维石墨烯； (3) 以硝酸钴溶液为电解液，以三维石墨烯修饰电极（3DGR/CILE）为工作电极，构建三电极体系，利用恒电位沉积法在3DGR/CILE表面得到氢氧化钴纳米材料，用蒸馏水清洗后即可得到修饰电极Co(OH)2/3DGR/CILE，真空干燥后备用； (4) 以KOH溶液为电解液，用Co(OH)2/3DGR/CILE做工作电极，构建三电极系统，在一定电位范围内做不同扫速下的循环伏安曲线，在一定电位范围内做不同电流密度下的恒流充放电曲线，在一定的电位范围内以大电流密度做恒电流充放电3000次，测试电容性能变化；在频率范围为0.1～105 Hz，交流偏压为10 mV条件下做交流阻抗测试。...
【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯/氢氧化钴复合电极的制备及其电容性能的研究，包括：制备碳糊电极的方法，制备三维石墨烯/氢氧化钴复合材料的方法，在碳糊电极表面修饰所述复合材料的方法，测试所述复合材料电容性能的方法；其特征在于，包括以下步骤：(1) 将石墨粉与正己基吡啶六氟磷酸盐按一定质量比混合后将其研磨成碳糊，然后将所述的碳糊填入玻璃电极管中压实，得到碳糊电极（CILE）； (2) 配置一定浓度的氧化石墨烯和高氯酸锂的混合溶液，超声至所述混合溶液分散均匀，以该混合溶液为电解液，CILE为工作电极，构建三电极体系，通过恒电位沉积法在CILE表面得到三维石墨烯； (3) 以硝酸钴溶液为电解液，以三维石墨烯修饰电极（3DGR/CILE）为工作电极，构建三电极体系，利用恒电位沉积法在3DGR/CILE表面得到氢氧化钴纳米材料，用蒸馏水清洗后即可得到修饰电极Co(OH)2/3DGR/CILE，真空干燥后备用； (4) 以KOH溶液为电解液，用Co(OH)2/3DGR/CILE做工作电极，构建三电极系统，在一定电位范围内做不同扫速下的循环伏安曲线，在一定电位范围内做不同电流密度下的恒流充放电曲线，在一定的电位范围内以大电流密度做恒电流充放电3000次，测试电容性能变化；在频率范围为0.1～105 Hz，交流偏压为10 mV条件下做交流阻抗测试。2.根据权利要求1所述一种三维石墨烯/氢氧化钴复合电极的制备及其电容性能的研究，其特征在于：步骤1中所述的玻璃电极管内径为4 mm。3.根据权利要求1所述一种三维石墨烯/氢氧化钴复合电极的制备及其电容性能的研究，其特征在于：步骤1中所述的研磨工具为玛瑙研钵。4....
【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，王文成，牛学良，闫丽君，李小宝，文作瑞，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：海南;46
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