二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法，用于解决现有电极材料的制备方法实用性差的技术问题。技术方案是将清洗并干燥后的碳布、石墨与硝酸钠混合后逐滴加入浓硫酸，再依次加入KMnO4和蒸馏水，再将H2O2添加到混合物溶液中，加入水合肼并加热，将碳布进行洗涤、真空干燥得到还原石墨烯包覆碳布。采用电化学工作站进行电化学沉积。将沉积后的碳布进行洗涤、干燥、退火后获得Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料。经测试，由本发明专利技术方法制备的Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料用做正极在1Ag

Preparation of Two-dimensional Co3O4NSs/ACC@RGO Composite Electrode Material

【技术实现步骤摘要】
二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种电极材料的制备方法，特别涉及一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法。
技术介绍
超级电容器也称电化学电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能器件，具有优良的可逆充放电性能和大容量储能性能。其优点有：功率密度高、循环寿命长、充电速度快、能够瞬时大电流放电、绿色无污染，具有很广阔的应用前景。目前，超级电容器的缺点在于其能量密度有限。导致超级电容器能量密度低的主要原因是：在相应的电压窗口下，电化学稳定电位窗口窄、比电容小。众所周知，电极材料对超级电容器的电压窗口、比电容和能量密度至关重要。在电极材料方面，氧化物赝电容具有很大潜力。钴氧化物(CO3O4)作为一种典型的氧化物赝电容材料，由于其具有较高的理论比电容，制备成本低等优点而得到了广泛的研究。文献“XiaXH,TuJP,MaiYJ,etal.Self-supportedhydrothermalsynthesizedhollowCo3O4nanowirearrayswithhighsupercapacitorcapacitance[J].JournalofMaterialsChemistry,2011,21.”公开了一种空心Co3O4纳米线的制备技术，该方法是在基底上沉积CO3O4薄膜，并在流动氩气中高温处理。将Co(NO3)2和硝酸钠溶解在氨水和水中，在空气中搅拌，直到粉红色逐渐变黑。将溶液转移瓶子，固定基板薄膜侧朝下，将密封瓶注入氧气并在烘箱中加热。随后，清洗并退火得到空心Co3O4纳米线。但在该方法中，CO3O4基超级电容器的电极材料仍然局限于低能量密度(10～50Wh/kg)。在此基础上，研制了一种具有高稳定电压窗(2.2V)的高活性二维CO3O4电极材料和水电解质。吸附在电极材料表面的阳离子(Li+，CO2+)增加了H+和O2-吸附的物理屏障。因此，在这两个电极上，氧和氢的释放过电位增加，大大超过了水的热力学稳定极限。此外，还发现在循环测试过程中，电极材料的分解会导致电容和能量密度的降低。为了克服这一缺点，首次提出了在2MLi2SO4电解质中预先加入二价钴离子以平衡CO3O4电极溶解引起的变化的新策略。它不仅抑制了CO3O4电极材料的溶解，而且有利于提高比电容，实现超高能量密度、安全性和循环稳定性。
技术实现思路
为了克服现有电极材料的制备方法实用性差的不足，本专利技术提供一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法。该方法将清洗并干燥后的碳布、石墨与硝酸钠混合后逐滴加入浓硫酸并搅拌，缓慢加入KMnO4并搅拌，加入蒸馏水搅拌，再逐滴将H2O2添加到混合物溶液中，直到溶液变得澄清。最后向溶液中加入水合肼并加热，将碳布进行洗涤、真空干燥得到还原石墨烯包覆碳布(ACC@RGO)。采用电化学工作站用ACC@RGO作为工作电极，铂板作为反电极，甘汞电极作为参考电极，Co(NO3)26H2O作为电解质进行电化学沉积。将沉积后的碳布进行洗涤、干燥、退火后获得Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料。经测试，由本专利技术方法制备的复合电极材料用做正极在1Ag-1下显示出845Fg-1的高比电容，该正极组装的超级电容器在水系电解质中显示出2.2V的高电压窗口，功率密度为1100WKg-1时具有99WhKg-1的超高能量密度和10000次循环后的容量保持率为168％的超长循环寿命，实用性好。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、用乙醇和蒸馏水在超声波条件下预先清洗碳布10～30min，之后在60～90℃下真空干燥5～8小时。然后将石墨片、碳布和硝酸钠按照质量比为1:40:41加入烧杯中，然后逐滴加入50～80ml浓度98％浓硫酸并在-5℃～-8℃下搅拌，搅拌时间为20～60min。步骤二、将质量为碳布质量的5～8倍KMnO4缓慢加入上述混合溶液中在冰浴中剧烈搅拌1～3h，再转移到油浴中在20～50℃搅拌1～3h，然后将溶液与100～150ml蒸馏水缓慢混合在冰浴中搅拌1～3h，再将混合溶液在80～98℃油浴中搅拌20～60min。最后逐滴将H2O2添加到混合物溶液中，直到溶液变得澄清。步骤三、添加2～5ml浓度为96.3mmol的水合肼，将溶液在100～130℃油浴中在水冷冷凝器的冷凝作用下加热20～30h。将碳布进行去离子水洗涤3～5次，之后在60～80℃下真空干燥8～12h后得到ACC@RGO。步骤四、采用电化学工作站在-0.8～-1.0V的电位下，使用ACC@RGO作为工作电极，铂板作为反电极，甘汞电极作为参考电极，浓度为0.01～10molL-1的Co(NO3)26H2O作为电解质进行电化学沉积，电沉积的时间为600～3600s。步骤五、将沉积后的碳布用去离子水洗涤，再在60～90℃下在空气中干燥8～12h，最后在350～400℃下退火1～4h，获得Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料。本专利技术的有益效果是：该方法将清洗并干燥后的碳布、石墨与硝酸钠混合后逐滴加入浓硫酸并搅拌，缓慢加入KMnO4并搅拌，加入蒸馏水搅拌，再逐滴将H2O2添加到混合物溶液中，直到溶液变得澄清。最后向溶液中加入水合肼并加热，将碳布进行洗涤、真空干燥得到还原石墨烯包覆碳布(ACC@RGO)。采用电化学工作站用ACC@RGO作为工作电极，铂板作为反电极，甘汞电极作为参考电极，Co(NO3)26H2O作为电解质进行电化学沉积。将沉积后的碳布进行洗涤、干燥、退火后获得Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料。经测试，由本专利技术方法制备的复合电极材料用做正极在1Ag-1下显示出845Fg-1的高比电容，该正极组装的超级电容器在水系电解质中显示出2.2V的高电压窗口，功率密度为1100WKg-1时具有99WhKg-1的超高能量密度和10000次循环后的容量保持率为168％的超长循环寿命，实用性好。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术方法实施例1制备的Co3O4/ACC@RGO样品的XRD图谱。图2是本专利技术方法实施例1使用原始的CO3O4中Co2P的XPS光谱。图3是本专利技术方法实施例2制备的Co3O4/ACC@RGO样品的SEM图像。图4是本专利技术方法实施例2制备的二维Co3O4纳米片样品的TEM图像和相应的SAED图像。图5是本专利技术方法实施例3制备的二维CO3O4纳米片的AFM厚度测量图像。图6是本专利技术方法实施例1制备的CO3O4/ACC@RGO电极在三电极测试系统中1-10mVs-1的不同扫描速率下的CV曲线。图7是使用本专利技术方法实施例2制备的电极组装的水系非对称超级电容器的GCD曲线。图8是使用本专利技术方法实施例3制备的电极组装的水系非对称超级电容器在5Ag-1时的循环性能曲线。具体实施方式以下实施例参照图1-8。实施例1：(1)用乙醇和蒸馏水在超声波条件下预先清洗碳布30min，之后在60℃下真空干燥5小时。然后将石墨片、碳布和硝酸钠按照质量比为1:40:41加入烧杯中，然后逐滴加入50ml浓度98％浓硫酸并在-5℃下搅拌，搅拌时间为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、用乙醇和蒸馏水在超声波条件下预先清洗碳布10～30min，之后在60～90℃下真空干燥5～8小时；然后将石墨片、碳布和硝酸钠按照质量比为1:40:41加入烧杯中，然后逐滴加入50～80ml浓度98％浓硫酸并在‑5℃～‑8℃下搅拌，搅拌时间为20～60min；步骤二、将质量为碳布质量的5～8倍KMnO4缓慢加入上述混合溶液中在冰浴中剧烈搅拌1～3h，再转移到油浴中在20～50℃搅拌1～3h，然后将溶液与100～150ml蒸馏水缓慢混合在冰浴中搅拌1～3h，再将混合溶液在80～98℃油浴中搅拌20～60min；最后逐滴将H2O2添加到混合物溶液中，直到溶液变得澄清；步骤三、添加2～5ml浓度为96.3mmol的水合肼，将溶液在100～130℃油浴中在水冷冷凝器的冷凝作用下加热20～30h；将碳布进行去离子水洗涤3～5次，之后在60～80℃下真空干燥8～12h后得到ACC@RGO；步骤四、采用电化学工作站在‑0.8～‑1.0V的电位下，使用ACC@RGO作为工作电极，铂板作为反电极，甘汞电极作为参考电极，浓度为0.01～10mol L...

【技术特征摘要】
1.一种二维Co3O4NSs/ACC@RGO复合电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、用乙醇和蒸馏水在超声波条件下预先清洗碳布10～30min，之后在60～90℃下真空干燥5～8小时；然后将石墨片、碳布和硝酸钠按照质量比为1:40:41加入烧杯中，然后逐滴加入50～80ml浓度98％浓硫酸并在-5℃～-8℃下搅拌，搅拌时间为20～60min；步骤二、将质量为碳布质量的5～8倍KMnO4缓慢加入上述混合溶液中在冰浴中剧烈搅拌1～3h，再转移到油浴中在20～50℃搅拌1～3h，然后将溶液与100～150ml蒸馏水缓慢混合在冰浴中搅拌1～3h，再将混合溶液在80～98℃油浴中搅拌20～60min；最后逐滴将H2O2添加到混合物溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊慧庆，张明昌，贾宇欣，许怡，杜志楠，闫奔奔，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61