一种具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的CoO电极材料及制备方法与流程

本发明涉及超级电容器电极材料及其制备技术，具体的说是涉及一种新颖的用于超级电容电极材料的具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的氧化钴(coo)电极材料制备方法。

背景技术：

近年来包括煤、石油、天然气在内的化石能源的广泛使用为人们的生活带来极大的便利，但是随着化石燃料的日益短缺，能源危机成为人们不可忽略的重大问题，因此，开发可代替传统能源的新型清洁能源以及发展可持续能源和可再生能源已经成为十分迫切的焦点问题，同时，人们对供电设备以及储能器件的研究也变得更加广泛，以提供可以与新型能源相匹配的能源储存装置。

电化学储能是一种广受关注的能量储存方式，是利用电化学反应，将电能转化为可以储存的化学能。超级电容器和锂二次电池是当今电化学储能的两种主要方式，超级电容器因为其具有高功率密度、快速充放电速率和长循环寿命的特点被认为是具有超高发展前景的储能装置，特别是在比能量和功率方面，超级电容器也展现出优良的性能，因此其在仪表仪器开关、混合动力汽车方面有了较为广泛的应用。

在材料选择方面，超级电容器应选择具有较高的电化学活性和理论比电容的材料，过渡金属化合物、导电聚合物都被广泛研究，而钴基材料(如钴氧化物和钴氢氧化物)在以往的研究中体现出优良的电化学活性和较高的比电容，在超级电容器方面是十分具有研究潜力的材料，如co(oh)2、co3o4和cos等，都受到了较多关注。然而，钴基材料和电解质之间的电荷传输受到离子扩散的限制，提高钴基材料的电化学性能的一个重要因素就是构建开放性的、有效的离子传输结构。因此，开发钴基材料并且通过构建立体的空间结构，增强其电子传输速率以及提高离子扩散速率，是提供具有优秀的电化学性能的超级电容器电极材料的有效策略。本发明构建了由多孔的二维片层堆叠而成的纳米墙结构的氧化钴，其立体的开放结构提高了电极材料与电解质溶液的接触面积、多孔的二维片层具有较大的比表面积为在材料上发生的电化学反应提供了更多的有效位点，这种由多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的氧化钴电极材料具有较高的电化学性能和较好的循环保持率，是良好的超级电容器电极材料。

技术实现要素：

鉴于以上内容，本发明通过合成具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料及制备方法，并将这种材料制备成超级电容器电极。此制备方法简单易行，并且可以扩展规模实现大量制备，易于工业化生产。合成出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料用于超级电容器电极材料能够达到较高的比容量且循环性能优异。

本发明通过以下技术方案予以实现：

我们首次合成了具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料作为电极材料，通过sem，tem表征能够发现水热合成的前驱体经过热处理之后获得的coo是一种具备筛状多孔，多层聚集的纳米墙结构材料，其厚度为30-50nm(属于微米级尺度)，其原料组分及摩尔比为co(no3)2·6h2o：2-甲基咪唑＝1：2～4。

本发明的具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料制备方法，包括如下步骤：

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照1：2～4摩尔比加入到甲醇溶剂中，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中100℃～180℃反应，然后冷却至室温得到反应产物；将所得的反应产物依次离心、洗涤和干燥得到前驱体；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为300～400℃；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

优选步骤1)中溶质与溶剂的质量比为1:15～40。

优选步骤1)反应液装入反应釜在烘箱中反应时间为6～18小时。

优选步骤1)反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃～80℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时。

优选步骤2)升温热处理升温速率为1-5℃/min。

优选步骤2)热处理时间为1-3小时。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo片层电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃～80℃烘箱中干燥不少于12小时。

本发明通过简单的混合溶剂热法合成无筛状孔洞的coo前驱体，然后在氮气中高温热处理，最终得到由筛状孔洞的coo片层堆叠而成的纳米墙结构，这是首次通过混合溶剂热方法合成出形貌均一，具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。通过三电极体系对coo电极材料进行循环伏安，恒流充放电及在恒流充放电条件下进行循环性能测试。合成出的材料具有比表面积大、结构稳定性好、导电性好、循环寿命长等优点。鉴于以上内容，本发明通过合成具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料制备方法，并将这种材料制备成超级电容器电极。此方法简单易行，并且能够大量制备，合成出的具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料用于超级电容器电极材料能够达到较高的比容量且循环性能优异。将其应用于超级电容器电极材料能够发现其具有较高的比容量352f/g，在大电流放电条件下20a/g仍能够有256f/g，并且其具有良好的的循环寿命，在10a/g条件下循环5000圈仍能够达到初始容量的92.9％。

附图说明

图1为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的前驱体烘干后的扫描图。

图2为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的扫描图。

图3为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的扫描图。

图4为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的扫描图。

图5为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的透射图。

图6为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的xrd图。

图7为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的电化学性测试恒流充放电图。

图8为实施例1中制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的电化学性能测试循环性能图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例及上述附图对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法：将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

图1为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的前驱体烘干后的扫描图，可知前驱体具有由无孔的片层堆叠而成的二维纳米墙结构。

图2、图3、图4为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的扫描图，可知具有由无孔的片层堆叠而成的二维纳米墙结构的前驱体经过热处理之后，片层出现孔洞，且孔洞分布较为均匀，呈现出筛状多孔的片层堆叠而成的二维纳米墙结构的coo电极材料。

图5为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的透射图，可知所得到的coo电极材料具有多孔、多片层堆叠的微观结构。

图6为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的xrd图，可知将水热反应得到的前驱体经过热处理之后得到的多孔二维纳米墙结构的电极材料为coo。

图7为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的电化学性测试恒流充放电图。可知所制备的coo电极材料以6m的koh为电解液，以hg/hgo为参比电极，在电压区间0～0.5v进行恒流充放电测试，在电流密度为1a/g时，其容量可达到352f/g。

图8为制备出的多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料的电化学性能测试循环性能图，可知所制备的coo电极材料以6m的koh为电解液，以hg/hgo为参比电极，在电流密度为5a/g，电压区间0～0.5v进行循环性能测试，经过5000圈循环测试之后其容量保持率可达到92.5％。

实施例2

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：4(1.1656g:1.3136g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例3

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:40(1.8224g:72.896g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例4

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中100℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例5

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中180℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例6

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应18小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例7

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为300℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例8

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为1℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例9

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为1小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例10

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为3小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例11

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入80℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例12

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:15(1.8224g:27.336g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入80℃烘箱中干燥不少于12小时。

实施例13

(1)室温下，在搅拌条件下，将co(no3)2·6h2o，2-甲基咪唑按照摩尔比1：2(1.1656g：0.6568g)加入到甲醇溶剂中，溶质与溶剂的质量比为1:30(1.8224g:54.672g)，持续搅拌使其形成澄清溶液，将其转移至反应釜中，置于烘箱中120℃反应6小时，然后冷却至室温得到反应产物；反应产物用离心机分离并用乙醇离心清洗3到4遍，放入60℃的烘箱中干燥，干燥时间不少于12小时；

(2)将前驱体其放入管式炉中，在氮气中升温热处理，热处理温度为400℃，升温速率为5℃/min，热处理时间为2小时；得到具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料。

利用本发明的具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备电极的方法，将具有多孔二维片层堆叠而成的纳米墙结构的coo电极材料、导电剂superp、粘结剂ptfe按照质量比8:1:1搅拌均匀，用赶片法擀成圆片压在泡沫镍集流体上；将制备好的工作电极放入60℃烘箱中干燥不少于12小时。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，以上实施方式仅用于解释权利要求书。然本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

利用上述实例方法制备具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料，并且将具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备成的电极在6mol/l的koh中进行测试，电压区间为0～0.5v，经过测试，在1ag^-1的电流密度下，展现出352fg^-1的质量比容量，当电流密度增大20倍时，即20ag^-1，仍有72.7％的保持率，展现出良好的倍率性能；利用上述实例方法制备具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料，并且将具有多孔二维纳米墙结构的coo电极材料制备成的电极在6mol/l的koh中进行充放电测试，5000圈充放电后，仍然有92.9％的保持率，展现出良好的循环性能。