CN110137430A - 三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制备方法，以泡沫镍作为载体，通过浸泡法，负载还原氧化石墨烯，在高温惰性气体下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料；然后利用电化学沉积法沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam；再进行退火将Co(OH)2转变为Co3O4，最终获得Co3O4/rGO/Ni foam。本发明复合电极材料具有良好的电化学循环稳定性，多孔阵列结构使得在作为电极材料的过程中，提高电子和离子的穿梭速度，增大与电解液的接触面积，从而达到良好的电化学循环稳定性，可用于能源储存设备中，提高电化学循环稳定性。

Description

三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料及其制备方法，特别是涉及一种过渡金属氮化物金属基复合电极材料及其制备方法，应用于能源储存材料和设备技术领域。
背景技术
由于物质生活的快速发展，在物质生活被满足的同时，人们也开始追求精神上的享受，如对电子产品的更高追求如长期的待机和快速充电，使得以手机和平板的快速更新换代，以及在近些年来，越来越流行的自驾游，刺激了汽车行业的急速发展。由于对电子产品的长期待机要求使得对产品的电池提出了更高的要求，在各种能量储存设备中，电化学储能所具有的安全无污染以及能量储存转换效率高等独特优势，从而成为了目前解决问题的最适合的选择之一。过渡金属化合物包括了过渡金属氮化物，过渡金属氧化物以及过渡金属硫化物等其他金属化合物。过渡金属化合物相比于碳材料，合金材料而言，其理论容量高，是一种有前景可替代石墨的负极材料。其中以过渡金属氧化物最为代表性。过渡金属氧化物包括CoOx,SnO2,NiO，VOx等，通常具有几倍于传统电极材料的理论容量，是最具有吸引力的可替代负极材料之一。Co3O4是一种P型半导体金属氧化物，与Fe3O4类似，可视作为CoO和Co2O3的复合体。Co3O4作为锂离子电池的负极材料，理论容量高达890mAh g-1，并且结构稳定，是作为负极材料的选择之一。但过渡金属化合物与金属基材料进行复合时，过渡金属化合物与金属基材料之间存在不稳定的接触的现象，同时使过渡金属化合物与金属基材料的导电性、电化学稳定性还不理想。
石墨烯的结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状结构，具有理想的二维晶体结构。因为其表面积高(2360m2g-1)，单层石墨烯的厚度可达到0.34nm，导电特性好，可大规模制备，被认为是目前最薄的纳米材料。但目前还未见将石墨烯应用于过渡金属复合电极材料的相关报道。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制备方法，本发明采用的Co3O4是一种过渡金属氧化物材料，将其作为复合材料的主要组成成分，从而提高材料的循环稳定性，石墨烯材料是一种具有导电特性的材料，这种材料易制备，具有褶皱，可提供大的比表面积，以及良好的导电特性，改善材料的导电性。泡沫镍作为基底，可以充当材料的支撑骨架作用，使得在电化学循环的过程中可以稳定材料的结构。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料，以泡沫镍作为基底，并充当所述复合电极材料的支撑骨架，在泡沫镍上负载了石墨烯层作为缓冲层，在石墨烯层上结合Co3O4层，利用石墨烯层使Co3O4与泡沫镍不直接接触，形成具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
一种本发明三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：以泡沫镍作为基底，通过负载石墨烯和在高温下惰性气体保护下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料，再利用电化学沉积法和在适当温度下退火，从而制备出具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
作为本发明优选的技术方案，三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
首先，以经过预先处理过的泡沫镍作为载体，通过浸泡法，负载还原氧化石墨烯，在高温惰性气体下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料；
然后，利用电化学沉积法，在Co3O4/rGO的基础上沉积Co(OH)2金属氢氧化物膜层，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam复合材料；
最后，采用退火工艺，将Co(OH)2/rGO/Ni foam中的Co(OH)2转变为Co3O4，最终获得具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
作为本发明优选的技术方案，进行退火的温度不低于600℃，退火时间不少于2h。
作为本发明进一步优选的技术方案，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和至少2.5g五氧化二磷，再加入至少12mL浓硫酸，搅拌溶解后再在1～2个小时时间里加入不少于3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度不高于80℃下搅拌反应至少4.5小时；然后进行冷至室温后，加入不少于500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于不低于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入至少120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入不少于15g的研磨好的高锰酸钾，在不高于35℃下反应至少2小时，然后缓慢加入到不少于250mL的去离子水中，搅拌至少2小时后，再加入至少700mL去离子水，缓慢滴加至少20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入至少100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和至少900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，然后取出泡沫镍，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于不低于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火至少2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度不低于0.1M的Co(NO3)2水溶液，在-1.4V～1.5V电压区间进行电沉积，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Nifoam材料取出后进行烘干，再于不低于600℃下进行退火处理，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。优选电沉积次数为1、2、4或8次。优选退火处理的升温速率为2～5℃/min。优选在-0.4V～0.6V电压区间进行电沉积，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料。
本发明以经过处理后的泡沫镍为基底，通过负载rGO制备出rGO/Ni foam复合材料，后利用电化学沉积方法在rGO/Ni foam的基础上形成沉积一层金属氢氧化物(Co(OH)2)，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam复合材料，最后选择适当的热处理工艺将Co(OH)2转变成Co3O4。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明通过简单易操作的浸泡方法，在泡沫镍上负载了石墨烯，从而改善Co3O4材料的导电性，以及通过具有缓冲作用的石墨烯片，使得生长在其上的Co3O4在电化学测试时表现出良好的电化学稳定性；
2.本发明利用石墨烯对于Co3O4的稳定性有着良好的辅助作用，通过以石墨烯来作为缓冲层，从而解决了Co3O4与泡沫镍之间的不稳定的接触。而这种作用使得Co3O4可以很好地牢牢地固定在石墨烯片上,从而使Co3O4表现出了良好的电化学性能；
3.本发明通过以泡沫镍为基底负载石墨烯和Co3O4，其在电化学上表现出了极好的稳定性，从而证明了基底泡沫镍对于Co3O4的电化学稳定性的突出作用；
4.本发明负载石墨烯不仅仅是改善了材料的导电性，还与Co3O4材料表现出了一定的协同作用，而这种作用使得材料在较大电流密度的放电的前提下，仍旧保持了较高的比容量和循环稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及Ni foam的XRD图。
图2为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料中还原氧化石墨烯的峰位图。
图3为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的X射线光电子能谱图。
图4为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的SEM图片。
图5为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的多倍循环性能性能图。
图6为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的单倍性能循环性能图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
下述实施例满足如下条件：
1)在实验前，实验过程中制备QDs所有用到的玻璃仪器和转子都需在新配制的王水，即浓盐酸与浓硝酸体积比为3:1的强酸溶液中浸泡两小时，制备QDs@SiO2所有用到的玻璃仪器和转子都需在新配制的碱缸中浸泡两小时，其中碱缸中的碱液为氢氧化钠及体积比为3:1的乙醇与离子水混合液。然后用去离子水洗净，倒扣放入电热鼓风干燥箱中，然后烘干后待用；
2)整个实验用水都是用220nm的滤膜过滤的去离子水，简称为过膜水；整个反应在25℃条件下进行。保证制备二氧化硅包裹量子点的质量稳定。
实施例一：
在本实施例中，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和2.5g五氧化二磷，再加入12mL浓硫酸，搅拌溶解后，再在1～2个小时时间里加入3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度为80℃下搅拌反应4.5小时；然后进行冷至室温后，加入500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入15g的研磨好的高锰酸钾，在35℃下反应2小时，然后缓慢加入到250mL的去离子水中，搅拌2小时后，再加入700mL去离子水，缓慢滴加20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
泡沫镍通过切片机切成圆片状，将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的圆片状的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，使得氧化石墨烯片附着在泡沫镍的骨架上，然后取出泡沫镍，烘干，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度为0.1M的Co(NO3)2水溶液，并将制备好的rGO/Ni foam浸入Co(NO3)2水溶液中，在-1.4V～1.5V电压区间使用三电极进行电沉积1圈，即电沉积次数为1次，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Ni foam材料取出后进行烘干，再于600℃下进行退火处理2小时，退火处理的升温速率为2℃/min，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料进行电化学性能测试：
制备材料通过组装成半电池进行测试，组装流程为，在负极壳上置入所制备的电极材料后，滴加电解液约为80μl，后放入隔膜，再滴加相同的电解液，再分别置入锂片，铁片，垫圈和正极壳，放入压片机，压置成半电池。放于多通道电池仪进行测试。电池的活性物质质量为去除泡沫镍本身的质量，电流大小＝活性物质质量(mg)*倍率(A g-1)
产物的XRD见图1和图2所示，图1为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及还原氧化石墨烯的XRD图，图中下方的谱线为NF谱线。图2为本发明实施例一方法制备的三维多孔阵列结构Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及还原氧化石墨烯的峰位图，图中下方的谱线为Ni foam谱线。
由图可知，本实施例制备的复合材料中含Co3O4，该产物中无明显杂质峰。图3是制备的复合材料的XPS图，图a)为X射线能谱总谱图；图b)为钴元素的X射线谱图；图c)为碳元素的X射线谱图；图d)为氧元素的X射线谱图，由图3可知，本实施例制备的复合材料含有Co，O，C元素。图4是制备的复合材料的SEM图，其中图a)Co3O4/rGO/Ni foam在低分辨率下的扫描电镜图；图b)Co3O4/rGO/Ni foam在高分辨率下的扫描电镜图，从图中可以看出所制备材料的阵列结构。图5是制备的电极材料在不同电流密度下的循环性能图，由图5可知，Co3O4/rGO/Ni foam电极材料在不同电流密度下的锂离子电池循环性能，在经过不同倍率的电流密度的循环后，其容量没有发生较大程度的变化，且在恢复至起初的电流密度时，其容量依旧可以保持在原先的容量数值左右。图6是制备的电极材料的在单倍电流密度下的循环性能图，由图可知Co3O4/rGO/Ni foam在1.0A g-1下的锂离子电池的循环性能，复合材料经过200次循环测试后，其容量保持率依旧可以达到90％以上，其库伦效率也没有明显下降，这显示出多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的电化学循环稳定性好。
本实施例三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，属于能源电极材料的领域。本发明方法的主要过程和步骤如下：首先，以经过预先处理过的泡沫镍作为载体，通过浸泡法，负载还原氧化石墨烯，在高温惰性气体下退火，制备出rGO/Nifoam复合材料；其次，利用电化学沉积法，在Co3O4/rGO的基础上沉积Co(OH)2阵列，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam；最后，选择适当的退火温度将Co(OH)2/rGO/Ni foam中的Co(OH)2转变为Co3O4，最终获得Co3O4/rGO/Ni foam。本发明制得的复合电极材料具有良好的电化学循环稳定性。Co3O4是一种过渡金属氧化物，具有高的理论容量。作为修饰的rGO是一种经过还原后的的石墨烯，这种材料有着较大的表面积，可以与材料充分的接触，且导电性好，可以改善过渡金属氧化物导电性不足的缺点。所制备的多孔阵列结构，可以使得在作为电极材料的过程中，提高电子和离子的穿梭速度，增大与电解液的接触面积，从而达到良好的电化学循环稳定性。本发明制得的复合材料可以用于能源储存设备中，提高能源储存设备的在一定电流密度下的长期电化学循环稳定性。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：退火温度升温速率为5℃/min
在本实施例中，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和2.5g五氧化二磷，再加入12mL浓硫酸，搅拌溶解后，再在1～2个小时时间里加入3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度为80℃下搅拌反应4.5小时；然后进行冷至室温后，加入500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入15g的研磨好的高锰酸钾，在35℃下反应2小时，然后缓慢加入到250mL的去离子水中，搅拌2小时后，再加入700mL去离子水，缓慢滴加20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
泡沫镍通过切片机切成圆片状，将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的圆片状的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，使得氧化石墨烯片附着在泡沫镍的骨架上，然后取出泡沫镍，烘干，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度为0.1M的Co(NO3)2水溶液，并将制备好的rGO/Ni foam浸入Co(NO3)2水溶液中，在-1.4V～1.5V电压区间使用三电极进行电沉积2圈，即电沉积次数为2次，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Ni foam材料取出后进行烘干，再于600℃下进行退火处理2小时，退火处理的升温速率为5℃/min，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料进行电化学性能测试：
制备材料通过组装成半电池进行测试，组装流程为，在负极壳上置入所制备的电极材料后，滴加电解液约为80μl，后放入隔膜，再滴加相同的电解液，再分别置入锂片，铁片，垫圈和正极壳，放入压片机，压置成半电池。放于多通道电池仪进行测试。电池的活性物质质量为去除泡沫镍本身的质量，电流大小＝活性物质质量(mg)*倍率(A g-1)
本实施例制备的复合材料中含Co3O4，该产物中无明显杂质峰，所制备的复合材料含有Co，O，C元素，所制备材料的阵列结构。在经过不同倍率的电流密度的循环后，本实施例制备的多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料容量没有发生较大程度的变化，且在恢复至起初的电流密度时，其容量依旧可以保持在原先的容量数值。本实施例制备的复合材料经过200次循环测试后，其容量保持率依旧可以达到90％以上，其库伦效率也没有明显下降，这显示出多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的电化学循环稳定性好。本实施例以泡沫镍作为基底，通过负载石墨烯和在高温下惰性气体保护下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料，再利用电化学沉积法和在适当温度下退火，从而制备出具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：电沉积次数为4次。
在本实施例中，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和2.5g五氧化二磷，再加入12mL浓硫酸，搅拌溶解后，再在1～2个小时时间里加入3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度为80℃下搅拌反应4.5小时；然后进行冷至室温后，加入500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入15g的研磨好的高锰酸钾，在35℃下反应2小时，然后缓慢加入到250mL的去离子水中，搅拌2小时后，再加入700mL去离子水，缓慢滴加20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
泡沫镍通过切片机切成圆片状，将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的圆片状的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，使得氧化石墨烯片附着在泡沫镍的骨架上，然后取出泡沫镍，烘干，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度为0.1M的Co(NO3)2水溶液，并将制备好的rGO/Ni foam浸入Co(NO3)2水溶液中，在-1.4V～1.5V电压区间使用三电极进行电沉积4圈，即电沉积次数为4次，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Ni foam材料取出后进行烘干，再于600℃下进行退火处理2小时，退火处理的升温速率为5℃/min，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料进行电化学性能测试：
制备材料通过组装成半电池进行测试，组装流程为，在负极壳上置入所制备的电极材料后，滴加电解液约为80μl，后放入隔膜，再滴加相同的电解液，再分别置入锂片，铁片，垫圈和正极壳，放入压片机，压置成半电池。放于多通道电池仪进行测试。电池的活性物质质量为去除泡沫镍本身的质量，电流大小＝活性物质质量(mg)*倍率(A g-1)
本实施例制备的复合材料中含Co3O4，该产物中无明显杂质峰，所制备的复合材料含有Co，O，C元素，所制备材料的阵列结构。在经过不同倍率的电流密度的循环后，本实施例制备的多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料容量没有发生较大程度的变化，且在恢复至起初的电流密度时，其容量依旧可以保持在原先的容量数值。本实施例制备的复合材料经过200次循环测试后，其容量保持率依旧可以达到90％以上，其库伦效率也没有明显下降，这显示出多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的电化学循环稳定性好。本实施例以泡沫镍作为基底，通过负载石墨烯和在高温下惰性气体保护下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料，再利用电化学沉积法和在适当温度下退火，从而制备出具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：电沉积次数为8次。
在本实施例中，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和2.5g五氧化二磷，再加入12mL浓硫酸，搅拌溶解后，再在1～2个小时时间里加入3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度为80℃下搅拌反应4.5小时；然后进行冷至室温后，加入500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入15g的研磨好的高锰酸钾，在35℃下反应2小时，然后缓慢加入到250mL的去离子水中，搅拌2小时后，再加入700mL去离子水，缓慢滴加20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
泡沫镍通过切片机切成圆片状，将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的圆片状的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，使得氧化石墨烯片附着在泡沫镍的骨架上，然后取出泡沫镍，烘干，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度为0.1M的Co(NO3)2水溶液，并将制备好的rGO/Ni foam浸入Co(NO3)2水溶液中，在-1.4V～1.5V电压区间使用三电极进行电沉积8圈，即电沉积次数为8次，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Ni foam材料取出后进行烘干，再于600℃下进行退火处理2小时，退火处理的升温速率为2℃/min，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料进行电化学性能测试：
制备材料通过组装成半电池进行测试，组装流程为，在负极壳上置入所制备的电极材料后，滴加电解液约为80μl，后放入隔膜，再滴加相同的电解液，再分别置入锂片，铁片，垫圈和正极壳，放入压片机，压置成半电池。放于多通道电池仪进行测试。电池的活性物质质量为去除泡沫镍本身的质量，电流大小＝活性物质质量(mg)*倍率(A g-1)
本实施例制备的复合材料中含Co3O4，该产物中无明显杂质峰，所制备的复合材料含有Co，O，C元素，所制备材料的阵列结构。在经过不同倍率的电流密度的循环后，本实施例制备的多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料容量没有发生较大程度的变化，且在恢复至起初的电流密度时，其容量依旧可以保持在原先的容量数值。本实施例制备的复合材料经过200次循环测试后，其容量保持率依旧可以达到90％以上，其库伦效率也没有明显下降，这显示出多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的电化学循环稳定性好。本实施例以泡沫镍作为基底，通过负载石墨烯和在高温下惰性气体保护下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料，再利用电化学沉积法和在适当温度下退火，从而制备出具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：电沉积的电压区间为-0.4～0.6V。
在本实施例中，一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和2.5g五氧化二磷，再加入12mL浓硫酸，搅拌溶解后，再在1～2个小时时间里加入3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度为80℃下搅拌反应4.5小时；然后进行冷至室温后，加入500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入15g的研磨好的高锰酸钾，在35℃下反应2小时，然后缓慢加入到250mL的去离子水中，搅拌2小时后，再加入700mL去离子水，缓慢滴加20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
泡沫镍通过切片机切成圆片状，将经过酸、丙酮以及乙醇洗涤后的圆片状的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，使得氧化石墨烯片附着在泡沫镍的骨架上，然后取出泡沫镍，烘干，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度为0.1M的Co(NO3)2水溶液，并将制备好的rGO/Ni foam浸入Co(NO3)2水溶液中，在-0.4V～0.6V电压区间使用三电极进行电沉积4圈，即电沉积次数为4次，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Ni foam材料取出后进行烘干，再于600℃下进行退火处理2小时，退火处理的升温速率为5℃/min，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料进行电化学性能测试：
制备材料通过组装成半电池进行测试，组装流程为，在负极壳上置入所制备的电极材料后，滴加电解液约为80μl，后放入隔膜，再滴加相同的电解液，再分别置入锂片，铁片，垫圈和正极壳，放入压片机，压置成半电池。放于多通道电池仪进行测试。电池的活性物质质量为去除泡沫镍本身的质量，电流大小＝活性物质质量(mg)*倍率(A g-1)
本实施例制备的复合材料中含Co3O4，该产物中无明显杂质峰，所制备的复合材料含有Co，O，C元素，所制备材料的阵列结构。在经过不同倍率的电流密度的循环后，本实施例制备的多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料容量没有发生较大程度的变化，且在恢复至起初的电流密度时，其容量依旧可以保持在原先的容量数值。本实施例制备的复合材料经过200次循环测试后，其容量保持率依旧可以达到90％以上，其库伦效率也没有明显下降，这显示出多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的电化学循环稳定性好。本实施例制备得到三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料，以泡沫镍作为基底，并充当所述复合电极材料的支撑骨架，在泡沫镍上负载了石墨烯层作为缓冲层，在石墨烯层上结合Co3O4层，利用石墨烯层使Co3O4与泡沫镍不直接接触，形成具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料，其特征在于：以泡沫镍作为基底，并充当所述复合电极材料的支撑骨架，在泡沫镍上负载了石墨烯层作为缓冲层，在石墨烯层上结合Co3O4层，利用石墨烯层使Co3O4与泡沫镍不直接接触，形成具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
2.一种权利要求1所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以泡沫镍作为基底，通过负载石墨烯和在高温下惰性气体保护下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料，再利用电化学沉积法和在适当温度下退火，从而制备出具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
3.根据权利要求2所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，以经过预先处理过的泡沫镍作为载体，通过浸泡法，负载还原氧化石墨烯，在高温惰性气体下退火，制备出rGO/Ni foam复合材料；
然后，利用电化学沉积法，在Co3O4/rGO的基础上沉积Co(OH)2金属氢氧化物膜层，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam复合材料；
最后，采用退火工艺，将Co(OH)2/rGO/Ni foam中的Co(OH)2转变为Co3O4，最终获得具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
4.根据权利要求2或3所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于，进行退火的温度不低于600℃，退火时间不少于2h。
5.根据权利要求2或3所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.合成rGO:
称取2.5g过硫酸钾和至少2.5g五氧化二磷，再加入至少12mL浓硫酸，搅拌溶解后再在1～2个小时时间里加入不少于3.0g石墨粉，并不断地搅拌；然后再在油浴温度不高于80℃下搅拌反应至少4.5小时；然后进行冷至室温后，加入不少于500mL去离子水稀释，静置一晚后倒掉上层清液，再加水清洗至pH为7，过滤，将石墨于不低于60℃下烘干备用；然后将石墨研细，分批缓慢加入至少120mL的浓硫酸中，然后在冰浴下加入不少于15g的研磨好的高锰酸钾，在不高于35℃下反应至少2小时，然后缓慢加入到不少于250mL的去离子水中，搅拌至少2小时后，再加入至少700mL去离子水，缓慢滴加至少20mL的质量百分比浓度为30％的H2O2溶液，使混合溶液变为亮黄色，并伴有大量气泡产生，然后静置一晚后倒掉上层清液；然后向上述剩余的底层溶液中加入至少100mL的质量百分比浓度为98％的HCl溶液和至少900mL去离子水，利用盐酸洗去金属离子，不断加水离心后，直至pH为7，得到呈中性的氧化石墨烯溶液，备用；
b.合成rGO/Ni foam:
将经过酸，丙酮以及乙醇洗涤后的泡沫镍放于在所述步骤a中制备的氧化石墨烯溶液中，使泡沫镍表面附着石墨烯片，然后取出泡沫镍，将沉积附着石墨烯片的泡沫镍于不低于600℃下的惰性气体保护气氛中进行退火至少2h，得到rGO/Ni foam中间材料，备用；
c.合成三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料:
将在所述步骤b中制备的rGO/Ni foam中间材料置于三电极装置中，配制浓度不低于0.1M的Co(NO3)2水溶液，在-1.4V～1.5 V电压区间进行电沉积，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料，然后将Co(OH)2/rGO/Nifoam材料取出后进行烘干，再于不低于600℃下进行退火处理，即可得到具有三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料。
6.根据权利要求5所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，电沉积次数为1、2、4或8次。
7.根据权利要求5所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于：退火处理的升温速率为2～5℃/min。
8.根据权利要求5所述三维多孔阵列结构的Co3O4/rGO/Ni foam复合电极材料的制备方法，其特征在于：在-0.4至0.6V电压区间进行电沉积，使rGO/Ni foam中间材料的石墨烯层上继续沉积Co(OH)2，制备出Co(OH)2/rGO/Ni foam材料。
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