一种氮掺杂的碳纳米片-Co3O4复合材料的制备方法及应用与流程

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。

技术实现要素：

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12-24h，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0.1-0.5v范围内充放电，在放电电流密度为2a/g时，比电容为800-1000f/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℃、25ml水中，搅拌至溶液澄清；

（2）再取三聚氰胺0.05g加入到步骤（1）水溶液中，搅拌反应；

（3）取乙酸钴1g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24h；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2h；

（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0.5h，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、0.01g乙炔黑和0.01g聚四氟乙烯微粉，置于小玛瑙碾钵中，加入0.5ml无水乙醇进行研磨；以10kpa的压力将研磨后的样品与1mm厚的泡沫镍集流体压制，在空气中、室温下干燥，裁切成2cm×3cm，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0.1-0.5v范围内充放电，在放电电流密度为2a/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814f/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。

技术特征：

技术总结
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。

技术研发人员：向翠丽;杨学英;蔡成龙;邹勇进;徐芬;孙立贤
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2018.11.28
技术公布日：2019.06.07