氮掺杂碳氢氧化钴复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂碳氢氧化钴复合材料及其制备方法，以荷梗为碳源，含氮元素的无机物或有机物为掺杂剂，

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂碳氢氧化钴复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于超级电容器及电极材料
，特别地，涉及一种氮掺杂碳氢氧化钴复合材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]超级电容器因其高功率密度
、
快速充放电速率和长循环寿命等优点，被广泛应用于数字通信系统和混合动力汽车等领域
。
电极材料作为超级电容器的核心组成部分，对超级电容器的商业化应用起着至关重要的作用
。
由于
Co(OH)2(
氢氧化钴
)
不仅具有丰富的氧化态
、
独特的氧化还原特性，而且可以在氧化还原循环中形成高导电性的
CoOOH
，加上氢氧化钴的层状纳米结构和高亲水性降低了氢氧化钴晶体的体积膨胀程度，有利于电解质的渗透，使得
Co(OH)2(
氢氧化钴
)
复合材料在电极材料中的应用占有重要地位
。
[0003]当前，在
Co(OH)2(
氢氧化钴
)
复合材料的合成工艺中，在氢氧化钴单独生长在集流体上时，难以保证氢氧化钴颗粒在集流体上的键合效果，从而降低了电极材料的循环稳定性
。

技术实现思路

[0004]基于现有技术中存在的上述问题，本专利技术实施例的目的之一在于提供一种氮掺杂碳氢氧化钴复合材料，以荷梗为碳源，含氮元素的无机物或有机物为掺杂剂，
KOH
为造孔剂，先通过两步法高温碳化制得氮掺杂碳，然后经过电沉积技术制得电化学性能优异
、
循环稳定性好的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料，以解决现有技术中存在的在氢氧化钴单独生长在集流体上时，难以保证氢氧化钴颗粒在集流体上的键合效果，从而降低了电极材料的循环稳定性的问题
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，包括如下步骤：
[0006]步骤
S01
：将荷梗烘干
、
研磨形成荷梗粉体；
[0007]步骤
S02
：将所述荷梗粉体置入管式炉中，向所述管式炉中通入惰性气体并高温煅烧，冷却后采用酸
、
去离子水清洗至中性，烘干后得到碳前驱体；
[0008]步骤
S03
：将掺杂剂与所述碳前驱体按照预定比例进行混合；
[0009]步骤
S04
：将所述掺杂剂与所述碳前驱体的混合物加入到
KOH
溶液中，搅拌
、
烘干后置入管式炉中，向所述管式炉中通入惰性气体并高温煅烧，冷却后采用酸
、
去离子水清洗至中性，烘干后得到氮掺杂碳前驱体；
[0010]步骤
S05
：将所述氮掺杂碳前驱体
、
乙炔黑和聚四氟乙烯进行混合研磨，获得第一混合物；
[0011]步骤
S06
：将所述第一混合物涂覆在泡沫镍上，涂覆有所述第一混合物的泡沫镍经压片处理形成工作电极，并以
Pt
网电极作为对电极，以
Ag/AgCl
电极作为参比电极，以硝酸钴和硝酸钠混合溶液作为电解质，通过电化学工作站进行电沉积处理，获得氮掺杂碳氢氧
化钴复合材料
。
[0012]可选地，在所述步骤
S01
中，在烘干
、
研磨所述荷梗前，先将所述荷梗切成3～
5cm
的小段，再采用去离子水洗涤所述荷梗，并通过超声处理
20
～
30min。
[0013]可选地，在所述步骤
S02
中，高温煅烧的温度为
450
～
500℃
，升温速率为2～
8℃/min
，煅烧时间为2～
4h。
[0014]可选地，在所述步骤
S03
中，所述掺杂剂为三聚氰胺
、
尿素
、
硫脲
、
过硫酸铵和磷酸氢二铵中的至少一种
。
[0015]可选地，在所述步骤
S03
中，所述碳前驱体与所述掺杂剂的质量比为
1:(0
～
2)。
[0016]可选地，在所述步骤
S04
中，所述
KOH
溶液的浓度为
0.1
～
0.4g/mL。
[0017]可选地，在所述步骤
S05
中，所述氮掺杂碳前驱体
、
所述乙炔黑与所述聚四氟乙烯的质量比为
(7
～
8):(1
～
2):1。
[0018]可选地，在所述步骤
S06
中，所述硝酸钴与所述硝酸钠的质量比为
1:1
，所述电化学工作站的沉积电位为
‑
0.8
～
‑
1.0V
，电沉积的沉积时间为1～
4min。
[0019]可选地，还包括电化学性能测试步骤，所述电化学性能测试步骤包括：将所述步骤
S04
中的氮掺杂碳前驱体
、
乙炔黑和聚四氟乙烯按照
8:1:1
的质量比进行混合研磨，将研磨出的第二混合物涂覆在泡沫镍上，涂覆有所述第二混合物的泡沫镍经压片处理形成工作电极，或以所述步骤
S06
中的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料作为工作电极，并以
Pt
网电极作为对电极，以
Hg/HgO
电极作为参比电极，以
KOH
溶液作为电解质溶液，采用电化学工作站在三电极体系中，对所述工作电极进行电化学性能测试
。
[0020]基于现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的之二在于提供一种由上述氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法制备的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料
。
[0021]本专利技术实施例中的上述一个或多个技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果之一：
[0022]本专利技术实施例中的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，以廉价的生物质荷梗为碳源，环保的同时节约成本
。
本专利技术实施例提供的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，碳化
、
掺杂和活化的过程同步完成，不仅能够提高氢氧化钴颗粒在集流体上的键合效果，从而提高氮掺杂碳氢氧化钴复合材料作为电极的循环稳定性，而且使得氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备过程简单，提高氮掺杂碳氢氧化钴复合材料的产率，有利于氮掺杂碳氢氧化钴复合材料的大规模工业生产
。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例1和对比例1‑3中所制备的氮掺杂碳
LPCNx(x
＝0，
0.5
，1，
2)
的扫描电镜图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
S01
：将荷梗烘干
、
研磨形成荷梗粉体；步骤
S02
：将所述荷梗粉体置入管式炉中，向所述管式炉中通入惰性气体并高温煅烧，冷却后采用酸
、
去离子水清洗至中性，烘干后得到碳前驱体；步骤
S03
：将掺杂剂与所述碳前驱体按照预定比例进行混合；步骤
S04
：将所述掺杂剂与所述碳前驱体的混合物加入到
KOH
溶液中，搅拌
、
烘干后置入管式炉中，向所述管式炉中通入惰性气体并高温煅烧，冷却后采用酸
、
去离子水清洗至中性，烘干后得到氮掺杂碳前驱体；步骤
S05
：将所述氮掺杂碳前驱体
、
乙炔黑和聚四氟乙烯进行混合研磨，获得第一混合物；步骤
S06
：将所述第一混合物涂覆在泡沫镍上，涂覆有所述第一混合物的泡沫镍经压片处理形成工作电极，并以
Pt
网电极作为对电极，以
Ag/AgCl
电极作为参比电极，以硝酸钴和硝酸钠混合溶液作为电解质，通过电化学工作站进行电沉积处理，获得氮掺杂碳氢氧化钴复合材料
。2.
如权利要求1所述的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，其特征在于，在所述步骤
S01
中，在烘干
、
研磨所述荷梗前，先将所述荷梗切成3～
5cm
的小段，再采用去离子水洗涤所述荷梗，并通过超声处理
20
～
30min。3.
如权利要求1所述的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，其特征在于，在所述步骤
S02
中，高温煅烧的温度为
450
～
500℃
，升温速率为2～
8℃/min
，煅烧时间为2～
4h。4.
如权利要求1所述的氮掺杂碳氢氧化钴复合材料制备方法，其特征在于，在所述步骤
S03
中，所述掺杂剂为三聚氰胺
、
尿素
、
硫脲
、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳丽，梁珂，王文昌，陈智栋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：