一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维负载钴氧化物复合材料，原料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸钴和溶剂DMF，通过先进行静电纺丝获得前驱体，再进行高温煅烧的两步碳化法制得，所得复合材料中，碳元素以碳纤维结构存在，其直径为0.1‑0.5微米，钴元素以氧化物形式均匀负载在碳纤维内。其制备方法包括以下步骤：1）静电纺丝法制备前驱体；2）高温煅烧制备碳纤维负载钴氧化物复合材料。作为超级电容器电极材料的应用，在0‑0.55V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容为210‑300 F/g。具有原料相容性好，毒性低，制备条件温和，绿色环保的优点；并且静电纺丝技术具有易操作、低成本、性能稳定，适合大批量的制备，在超级电容器领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及超级电容器
，具体涉及一种基于碳纤维负载钴氧化物复合材料的制备及在超级电容器领域的应用。
技术介绍
超级电容器，也被称为电化学电容器，由于其具有高功率密度、长循环寿命、简单的反应机理和较低的维护成本，有希望在将来代替传统储能设备。超级电容器电极材料一直是近年来研究的热点，法拉第电容电极材料，如过渡金属氧化物，比电容高，但导电性和稳定性差；双电层电容器电极材料，如碳材料，稳定性好，但比电容低。因此，如何将双电层电容器电极材料和法拉第电容电极材料有机的结合起来，即金属氧化物和碳材料，得到高比电容的材料一直是研究人员关注的焦点。碳纤维作为一种形貌规整，孔洞多，比表面积大的碳材料，广受研究者的喜爱。潘超等人将修饰过的金属氧化物纳米粒子与制备好的碳纤维结合，得到了一种碳纤维包裹金属氧化物的材料用于超级电容器。该现有技术采用现成的碳纤维，存在以下技术问题：1、原料成本较高；2、两步非原位负载金属氧化物的方法存在在材料的稳定性存在提高空间；3、两步法在工艺流程上存在提高空间。舒威达等人采用FeCl2和海藻酸钠溶液混合后经处理得到纳米多孔碳纤维。此方法制备至少需要4步流程，工艺条件要求高，冷冻温度要求低（-50℃），耗时长（48h），碳化温度需高达900℃，并且还需要用4MHCl清洗，过程既危险又不环保，流程繁琐，并能满足大规模生产的要求。制备碳纤维的方法中，静电纺丝技术具有材料直径小、形貌可控、制备方法简单、通用的特点，近年来广受大家喜爱。静电纺丝所制备的材料的多孔和高比表面积能够增大电解液和电极材料的接触面积，从而使其在电化学反应过程中具有更短的离子和电子扩散路径。因此，静电纺丝所制备的纳米材料被认为是新型电化学储能设备电极材料的理想选择。李健生等人将ZIF-8纳米粒子超声分散于DMF中，加入聚丙烯腈得到混合溶液，采用静电纺丝技术，制备了一种含有金属粒子用于超级电容器的中空碳纤维材料。该现有技术存在的技术问题就是金属有机框架ZIF-8没有实现商业化，只能依靠实验室合成，导致原料成本高昂和原料一致性无法满足规模化生产的要求。因此，通过成本低廉的、商业化的原料，采用静电纺丝技术，将金属氧化物负载在纳米碳纤维上，获得优异的电极材料具有显著的经济价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和在超级电容器领域的应用。本专利技术创新性地利用含有Co粒子的PVP/DMF混合溶液通过静电纺丝技术得到前驱体，制备纳米碳纤维复合材料。基本工作原理是采用静电纺丝法将PVP/DMF与Co离子的混合溶液进行电纺，得到纳米纤维前驱体，然后在管式炉、马弗炉一定温度下进行碳化，实现钴氧化物的原位负载，得到负载有钴金属氧化物的纳米碳纤维复合材料。由于对高性能储能设备的需求，一维纳米纤维材料被广泛的应用于各种新型设备中。静电纺丝在制备一维纳米纤维材料的过程中具有易操作和低成本的优势，并且电纺所制备的材料具有较大的比表面积等，可以有效的提升电化学反应过程中电子和离子的传递效率，从而提高储能设备的电化学性能。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）能够与多数的无机酸盐相溶，它既溶于水又溶于大部分有机溶剂，且无毒无害，价格低廉。在混合溶液中还可起到表面活性剂的作用，使得金属离子均匀分散在纳米纤维中，能够进一步提高复合材料的机械、导电或电化学性能。对混合了过渡金属离子的聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺复合材料进行静电纺丝，可以得到含有金属离子的纳米纤维前驱体，进一步碳化得到高比表面积的含金属氧化物纳米碳纤维材料。而且金属氧化物均匀地分散在碳纳米纤维中，对于提高材料的比电容有良好的效果。过渡金属元素具有丰富的价态，因而在电化学氧化还原反应的过程中，表现出高的法拉第电容。非金属原子可以很大程度上提高超级电容器的比电容，也改善材料表面的湿润性，导电性也得到提高，电解液离子扩散阻力降低。因此，本专利技术不仅表现出多孔碳的双电层电容性能，而且表现出金属氧化物的法拉第电容性能，因而用于超级电容器的电极材料表现出良好的性能。并且本专利技术制备方法简单，而且适合大批量的生产，对发展高性能的超级电容器具有很重要的意义。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种碳纤维负载钴氧化物复合材料，原料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸钴和溶剂DMF，通过先进行静电纺丝获得前驱体，再进行高温煅烧的两步碳化法制得，所得复合材料中，碳元素以碳纤维结构存在，其直径为0.1-0.5微米，钴元素以氧化物形式均匀负载在碳纤维内。碳纤维负载钴氧化物复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）静电纺丝法制备前驱体，在70-80℃条件下，将聚乙烯吡咯烷酮和DMF混合搅拌2-3h，在室温条件下，再加入乙酸钴混合搅拌10-12h，制得静电纺丝的纺丝原液，然后将纺丝原液在电压为15-20kV，喷头与辊轴的距离为20-30cm，温度为20-25℃条件下进行静电纺丝，最后经50-60℃烘干20-24h，得到前驱体，所述聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钴和DMF需满足质量比为3:（4-5）:（50-60）；步骤2）高温煅烧制备碳纤维负载钴氧化物复合材料，将步骤1）所述的前驱体在在氮气氛围下，放入管式炉中，以升温速率3-5℃/min，升温至500-650℃之后，保温2-4h进行碳化，而后在在马弗炉中，以升温速率3-5℃/min，升温至200-300℃后，保温2-4h进行煅烧，即可得到碳纤维负载钴氧化物复合材料。碳纤维负载钴氧化物复合材料作为超级电容器电极材料的应用，其特征在于：在0-0.55V范围内充放电，在放电电流密度为1A/g时，比电容为210-300F/g。本专利技术所得的碳纤维负载钴氧化物复合材料有益技术效果经实验检测，结果如下：碳纤维负载钴氧化物复合材料经扫描电镜测试，钴氧化物纳米粒子很好的分散在材料中。碳纤维负载钴氧化物复合材料的电化学性能测试，检测在0-0.55V范围内充放电，在放电电流密度为1A/g时，碳纤维负载钴氧化物复合材料超级电容器电极比电容范围在210-300F/g。而单纯的聚乙烯吡咯烷酮碳纤维电极材料在相同电流密度下的比电容分别为104F/g，在相同电流密度下，碳纤维负载钴氧化物复合材料的放电时间明显高于单一的PVP碳纤维电极材料，其放电时间提高了2倍多，表明其比电容较单一的碳纤维的性能有了显著提高，表明碳纤维负载钴氧化物复合材料具有良好的超级电容性能。因此，本专利技术的碳纤维负载钴氧化物复合材料对于现有技术，具有以下优点：1．本专利技术采用PVP/DMF的混合溶液作为纺丝原液，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）相较于其他静电纺丝高分子材料性能优异，相容性好，毒性很低，条件温和，绿色环保；2．钴过渡金属氧化物均匀分散在纳米纤维材料中，充分利用材料之间的协同作用，进一步提高了材料的电化学性能，所得的材料比电容较好；3．本专利技术是采用静电纺丝技术，该技术在制备一维纳米纤维材料的过程中具有易操作和低成本的优势，制备方法和工艺简单，产品性能稳定，适合大批量的制备，而且后处理工艺简单。因此，本专利技术在超级电容器领域具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例制备的碳纤维负载钴氧化物复合材料的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例制备的碳纤维负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维负载钴氧化物复合材料，其特征在于：原料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸钴和溶剂DMF，通过先进行静电纺丝获得前驱体，再进行高温煅烧的两步碳化法制得，所得复合材料中，碳元素以碳纤维结构存在，其直径为0.1‑0.5微米，钴元素以氧化物形式均匀负载在碳纤维内。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维负载钴氧化物复合材料，其特征在于：原料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸钴和溶剂DMF，通过先进行静电纺丝获得前驱体，再进行高温煅烧的两步碳化法制得，所得复合材料中，碳元素以碳纤维结构存在，其直径为0.1-0.5微米，钴元素以氧化物形式均匀负载在碳纤维内。2.根据权利要求1所述碳纤维负载钴氧化物复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）静电纺丝法制备前驱体，在一定温度条件下，将聚乙烯吡咯烷酮和DMF混合搅拌一定时间，在室温条件下，再加入乙酸钴混合搅拌，制得静电纺丝的纺丝原液，然后将纺丝原液在一定条件下进行静电纺丝，最后经烘干得到前驱体，所述聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钴和DMF需满足一定质量比；步骤2）高温煅烧制备碳纤维负载钴氧化物复合材料，将步骤1）所述的前驱体在一定条件下经管式炉碳化，而后在一定条件下经马弗炉煅烧，即可得到碳纤维负载钴氧化物复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钴和DMF的质量比为3:（4-5）:（50-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：向翠丽，刘尹，邹勇进，黄伟权，覃耀毅，徐芬，孙立贤，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45