CN109859956B - 一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂的碳纳米片‑Co3O4复合材料的制备方法及应用，制备时在明胶溶液中加入三聚氰胺与乙酸钴，在室温中静置，再用液氮冷冻干燥，干燥后再研磨成粉末，将粉末放到管式炉中煅烧，再放到马弗炉中煅烧制得产品。本发明方法采用两步法将Co2+负载到明胶‑三聚氰胺上并形成碳纳米片，具有方法简单，应用范围广和制造成本低等优点，而且得到了在水溶液中无法获得的片状纳米结构。所制备的氮掺杂的碳纳米片‑Co3O4复合材料表现出优良的电化学特性，可用于超级电容器的电极材料。而且该方法适合大批量的生产，应用效果好。

Description

一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及其在超级电容器中的应用。
背景技术
超级电容器是一种高效、实用的能量储存装置，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点。随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，环保无污染、高循环使用寿命的超级电容器成为当今能源领域研究的热点。
目前，影响超级电容器发展的关键因素主要有电极材料、电解液和膈膜等，其中电极材料的制备直接决定了电容器容量的大小，也是影响超级电容器最为关键的因素之一。根据电极材料的差异，可分为碳基、Co3O4、导电聚合物和杂多酸等超级电容器；其中Co3O4不仅价格低廉，来源广泛，而且具有多种电子价态，优良的储能特性而备受关注。因此，Co3O4成为超级电容器领域应用最广泛的电极材料之一，其主要利用氧化物价态的变化形成的法拉第赝电容储能。
因此，制备新型氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，对发展高性能的超级电容器具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料和制备方法，及其在超级电容器中的应用。
本发明一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法，采用天然高分子聚合物明胶和三聚氰胺作为前躯体，明胶和三聚氰胺吸附了Co离子后，再进行高温煅烧，得到氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
本发明一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）取一定量的明胶溶于50-60℃水中，搅拌至溶液澄清；
（2）取一定量的三聚氰胺加入到步骤（1）的水溶液中，搅拌反应；
（3）取一定量的乙酸钴加入到步骤（2）的水溶液中，搅拌反应；
（4）将步骤（3）的混合溶液在室温中静置12-24 h，然后混合溶液用液氮冷冻干燥，干燥后研磨成粉末，将粉末放到管式炉中煅烧；
（5）再将步骤（4）的粉末放到马弗炉中煅烧，制得氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料。
上述制备方法中，步骤（1）所述明胶与水的质量比为：1:25；
步骤（2）所述三聚氰胺与步骤（1）的水溶液的质量比为：1:500；
步骤（3）所述的乙酸钴与步骤（2）的水溶液的质量比为：1:25；
步骤（4）所述管式炉的升温速率设定为3-5℃/min，温度到达800-1000℃，保温2-3h；
步骤（5）所述马弗炉的升温速率设定3-5℃/min，温度到达250-500℃，保温0.5-2h。
采用本发明制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，其Co3O4均匀地分布在氮掺杂的碳纳米片上，复合材料呈现片状结构。
采用本发明制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，具有良好的储能特性，可用于超级电容器的电极材料，应用时在0.1-0.5 V范围内充放电，在放电电流密度为2 A/g时，比电容为800-1000 F/g。
本发明制备方法的原理是：乙酸钴中的钴离子与三聚氰胺中的铵基发生反应，将Co2+ 离子均匀地负载在明胶-三聚氰胺树脂表面上，得到了在水溶液中无法获得的片状碳纳米结构的金属复合材料。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法采用原位还原、氧化法合成氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，方法简单；
2、本发明方法是通过将乙酸钴溶解在明胶-三聚氰胺树脂内，形成均一稳定混合物，再冷冻干燥，还原氧化制得，没有副产物产生，对环境友好；钴金属有步骤地添加，得到了片状的纳米片，具有较大的比表面积，有利于电化学性能提升；
3、通过马弗炉煅烧氧化，将Co氧化成Co3O4，Co3O4掺杂在明胶三聚氰胺树脂上，增加复合材料的比电容；
4、应用效果好：合成的碳纳米片- Co3O4复合材料，内电阻小，循环稳定；
5、制备工艺简单，产品性能稳定，适合大批量的制备，而且后处理工艺简单。
附图说明
图1为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的XRD图；
图2为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的透射电镜照片；
图3为实施例制备的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的充放电曲线图。
具体实施例
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例
制备氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，具体步骤如下：
（1）按明胶与水的质量比为：1:25，取明胶1g 溶于60℃、 25 mL水中，搅拌至溶液澄清；
（2）再取三聚氰胺0.05 g加入到步骤（1）水溶液中，搅拌反应；
（3）取乙酸钴1 g加入到步骤（2）中，搅拌反应；
（4）将步骤（3）的混合溶液在室温中静置24 h；然后混合溶液用液氮冷冻干燥后，干燥后再研磨成粉末，将粉末放到管式炉中煅烧；管式炉的升温速率设置为5℃/min，温度到达800℃，保温2 h；
（5）再将步骤（4）的粉末放到马弗炉进行煅烧，马弗炉的升温速率设置为5℃/min；温度到达250℃，保温0.5 h，制成氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料经XRD测试如图1所示，从图中可以看出钴的氧化物的晶体结构为Co3O4。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料经透射电镜测试所得微观形貌如图2所示，从图中可以看出纳米粒子很好的分散到多孔碳上，呈现片状结构。
制成的氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料的电化学性能测试，具体方法为：称取0.08g 氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料、0.01 g乙炔黑和0.01 g聚四氟乙烯微粉，置于小玛瑙碾钵中，加入0.5 mL无水乙醇进行研磨；以10 kPa的压力将研磨后的样品与1 mm厚的泡沫镍集流体压制，在空气中、室温下干燥，裁切成2 cm × 3 cm，制得超级电容器电极，测试其比电容。
检测结果如图3所示，可知：在0.1-0.5 V范围内充放电，在放电电流密度为2 A/g时，氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料超级电容器电极比电容可以达到814 F/g，表明氮掺杂碳纳米片-Co3O4复合材料具有良好的超级电容性能。

Claims (3)

1.一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法，其特征在于：采用天然高分子聚合物明胶和三聚氰胺作为前躯体，明胶和三聚氰胺吸附了Co离子后，再进行高温煅烧，得到氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料；
制备方法具体包括如下步骤：
（ 1 ） 取一定量的明胶溶于50-60℃水中，搅拌至溶液澄清；
所述明胶与水的质量比为：1:25；
（2）取一定量的三聚氰胺加入到步骤（1）的水溶液中，搅拌反应；
所述三聚氰胺与步骤（1）的水溶液的质量比为：1:500；
（3）取一定量的乙酸钴加入到步骤（2）的水溶液中，搅拌反应；
所述的乙酸钴与步骤（2）的水溶液的质量比为：1:25；
（4）将步骤（3）的混合溶液在室温中静置12-24 h，然后混合溶液用液氮冷冻干燥，干燥后再研磨成粉末，将粉末放到管式炉中煅烧；
所述管式炉的升温速率设定为3-5℃/min，温度到达800-1000℃，保温2-3h；
（5）再将步骤（4）的粉末放到马弗炉中煅烧，制得氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料；
所述马弗炉的升温速率设定3-5℃/min，温度到达250-500℃，保温0.5-2h。
2.根据权利要求1所述制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料，其特征在于：所述复合材料呈现片状结构，Co3O4均匀地分布在氮掺杂的碳纳米片上。
3.根据权利要求1所述制备方法制得的氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的应用，其特征在于：所述复合材料用于超级电容器的电极材料，应用时在0.1-0.5 V范围内充放电，在放电电流密度为2 A/g时，比电容为800-1000 F/g。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106058174A (zh) * 2016-06-13 2016-10-26 大连理工大学 一种四氧化三钴纳米中空球镶嵌碳片花状复合材料的制备方法及其应用
CN107604375A (zh) * 2017-07-12 2018-01-19 青岛科技大学 氮钴双掺杂多孔碳复合物双功能氧催化剂及其制备方法和应用

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106058174A (zh) * 2016-06-13 2016-10-26 大连理工大学 一种四氧化三钴纳米中空球镶嵌碳片花状复合材料的制备方法及其应用
CN107604375A (zh) * 2017-07-12 2018-01-19 青岛科技大学 氮钴双掺杂多孔碳复合物双功能氧催化剂及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A general gelatin-assisted strategy to hierarchical porous transition metal oxides with excellent lithium-ion storage";Haoran Du,et al.;《Electrochimica Acta》;20180521;第279卷;第66-73页 *
"Sustainable nitrogen-doped porous carbon with high surface areas prepared from gelatin for supercapacitors";Bin Xu,et al.;《J. Mater. Chem.》;20120725;第22卷;第19088-19093页 *

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