一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用，属于超级电容器电极材料制备领域。上述稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法包括以下步骤：称取一定量的六水合硝酸钴和稀土可溶性盐，溶于水和乙二醇的混合溶剂中，得到混合溶液A；称取尿素，溶于混合溶液A中，搅拌均匀后，得到溶液B；将所得的溶液B在80

【技术实现步骤摘要】
一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及超级电容器电极材料制备领域，特别是指一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器具有快速充放电和超长的使用寿命等优势引起了广泛科研工作者的关注。高性能的超级电容器电极材料主要涉及了碳质材料、金属氧化物、导电聚合物以及与其相关的复合物。在这些活性材料中，过渡金属氧化物因其独特的晶体结构、多重金属离子价态、快速的氧化还原反应或离子插入反应而表现出优异的电容性能，被认为是很有前途的赝电容材料。然而，过渡金属氧化物具有极差的本征电导率以及缓慢的反应动力学，这极大的限制了过渡金属氧化物作为电极材料在高效率储能领域内的研究与应用。
[0003]Co3O4具有理论比电容高、低成本以及无污染等特点成为电极材料的热门选择。但由于其极差的电导率，电容性能的优势很难发挥出来。稀土掺杂是有效改善过渡金属氧化物电容性能的途径，其主要作用在于影响过渡金属氧化物的结晶行为和电导率。目前，稀土掺杂的过渡金属氧化物主要是零维的纳米颗粒和一维的纳米线、纳米棒和纳米管，其二维的纳米片的制备及其电容研究还没有报道。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用，本专利技术采用化学沉淀法制备的富氧空位缺陷稀土掺杂四氧化三钴纳米片，不仅成本低、制备简单、环境友好，所制备的材料还具有优异的电容性能，能够用于超级电容器电极材料。/>[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：
[0006]一方面，本专利技术提供一种稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：称取一定量的六水合硝酸钴Co(NO3)2·
6H2O和稀土可溶性盐，溶于120mL水和乙二醇的混合溶剂中，得到混合溶液A；
[0008]步骤2：称取尿素，溶于混合溶液A中，搅拌均匀后，得到溶液B；
[0009]步骤3：将步骤2所得的溶液B在80
‑
90℃的温度下反应8
‑
12h，自然冷却到室温后，将所得产物离心分离，洗涤干燥，得到稀土掺杂四氧化三钴前驱体；
[0010]步骤4：将步骤3所得前驱体置于马弗炉中煅烧，煅烧结束后得到最终产物稀土掺杂四氧化三钴纳米片。
[0011]进一步的，所述步骤1中，稀土可溶性盐为镧、铈、钕、钬、铒、镱、钇中的一种硝酸盐或氯化盐。
[0012]优选的，所述六水合硝酸钴与稀土可溶性盐的摩尔比为100:0.5
‑
7。
[0013]优选的，所述水和乙二醇的混合溶剂中水和乙二醇的体积比为1:7。
[0014]进一步的，所述六水合硝酸钴与尿素的摩尔比为1:6。
[0015]优选的，所述步骤3中，干燥温度为60℃，干燥时间为6
‑
12h。
[0016]优选的，所述步骤4中，煅烧的温度为300℃，煅烧时间为2h；马弗炉程序升温速率为10℃/min。
[0017]另一方面，本专利技术还提供一种由上述方法制备的稀土掺杂四氧化三钴纳米片。
[0018]再一方面，本专利技术还提供一种上述稀土掺杂四氧化三钴纳米片在超级电容器电极材料中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术采用六水合硝酸钴、尿素以及稀土盐类作为原料，在水
‑
乙二醇混合溶剂体系下进行制备。该方法原料易得，制备成本低廉、过程简单、污染少。通过稀土离子掺杂制备的电容性能优越的稀土掺杂四氧化三钴纳米片，具有良好的超级电容器应用前景。
附图说明
[0021]图1为实施例1制备的稀土镧掺杂四氧化三钴的表面形貌图；
[0022]图2为实施例2制备的稀土铈掺杂四氧化三钴的表面形貌图(a)；在6mol/LKOH溶液中，实施例2样品在不同电流密度下的充放电曲线图(b)、比电容图(c)以及在32A
·
g
‑1电流密度下的循环稳定性图(d)；
[0023]图3为实施例3制备的稀土钕掺杂四氧化三钴的表面形貌图；
[0024]图4为实施例4制备的稀土钬掺杂四氧化三钴的表面形貌图；
[0025]图5为实施例5制备的稀土铒掺杂四氧化三钴的表面形貌图；
[0026]图6为实施例6制备的稀土镱掺杂四氧化三钴的表面形貌图；
[0027]图7为实施例7制备的稀土钇掺杂四氧化三钴的表面形貌图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例进行详细描述。
[0029]本专利技术中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。
[0030]本专利技术提供一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法和应用，具体实施例如下。
[0031]实施例1
[0032]一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，包括如下步骤：称取5mmol六水合硝酸钴，0.2mmol六水合硝酸镧，溶于120mL水和乙二醇的混合溶剂中(其中水和乙二醇比例为1:7)，搅拌均匀后，得到溶液A。称取20mmol尿素，溶于溶液A，搅拌均匀后，得到溶液B；将溶液B在磁力搅拌条件下，90℃温度下反应12h，自然冷却到室温，将所得产物离心分离，分别用水和无水乙醇洗涤3次，分离洗涤后的固体放入60℃温度下干燥12h；然后将所得的固体在300℃的温度下热处理2h，马弗炉以每分钟10℃的条件下进行升温，得到最终产物稀土镧掺杂四氧化三钴。
[0033]图1所示为稀土镧掺杂四氧化三钴的表面形貌图；从图中可以看出样品具有良好
的纳米片状形貌。
[0034]实施例2
[0035]一种高电容氧空位稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，包括如下步骤：称取5mmol六水合硝酸钴，0.2mmol六水合硝酸铈，溶于120mL水和乙二醇的混合溶剂中(其中水和乙二醇比例为1:7)，搅拌均匀后，得到溶液A。称取20mmol尿素，溶于溶液A，搅拌均匀后，得到溶液B；将溶液B在磁力搅拌条件下，90℃温度下反应12h，自然冷却到室温，将所得产物离心分离，分别用水和无水乙醇洗涤3次，分离洗涤后的固体放入60℃温度下干燥12h；然后将所得的固体在300℃的温度下热处理2h，马弗炉以每分钟10℃的条件下进行升温，得到最终产物稀土铈掺杂四氧化三钴。
[0036]由图2a所示，稀土铈掺杂四氧化三钴材料的表面形貌为纳米片结构，其厚度在15
‑
20nm，形貌好。由图2b和c所示，电极材料显示典型的赝电容行为，在电流密度为2A
·
g
‑1下的电容值为626F
·
g
‑1，当电流密度增加至20A
·
g
‑1，比电容值为256F
·
g...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：称取一定量的六水合硝酸钴和稀土可溶性盐，溶于水和乙二醇的混合溶剂中，得到混合溶液A；步骤2：称取尿素，溶于混合溶液A中，搅拌均匀后，得到溶液B；步骤3：将步骤2所得的溶液B在80
‑
90℃的温度下反应8
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12h，自然冷却到室温后，将所得产物离心分离，洗涤干燥，得到稀土掺杂四氧化三钴前驱体；步骤4：将步骤3所得前驱体置于马弗炉中煅烧，煅烧结束后得到最终产物稀土掺杂四氧化三钴纳米片。2.根据权利要求1所述的稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，稀土可溶性盐为镧、铈、钕、钬、铒、镱、钇中的一种硝酸盐或氯化盐。3.根据权利要求2所述的稀土掺杂四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，所述六水合硝酸钴与稀土可溶性盐的摩尔比为100:0.5
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：周卫强，何垚，徐景坤，蒋丰兴，段学民，
申请(专利权)人：江西科技师范大学，
类型：发明
国别省市：