一种碳量子点‑四氧化三钴复合电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种碳量子点-四氧化三钴复合电极材料及其制备方法。

背景技术：

相对传统电容器和电池，超级电容器具有较高的能量密度，较长的循环寿命，快速的充放电速率，较宽的电势窗等。这些优点使其在便携式电子设备，混合动力电动车，激光武器，能量存储等领域具有潜在发展能力。超级电容器根据其存储机理的不同可以分为双电层超级电容器和法拉第准电容器(赝电容电容器)。双电层电容器电极主要包括碳材料，法拉第准电容器电极包括如金属材料，目前人们研究较热的是双金属氧化物或氢氧化物，金属与碳材料的复合材料，以及金属与高分子复合材料。

2006年，美国克莱蒙森大学的美籍华裔科学家孙亚平教授首次研制出新型碳纳米材料-碳量子点，基于其优越性能，世界各国科研工作者投入到对碳量子点的探索之中。作为碳纳米材料家族的新秀，碳量子点是一种近似球形的、分散的、尺寸小于10nm的、环境友好型的半导体纳米晶体颗粒，这些优良的性质使碳量子点在生命医学、材料化学、分析检测等领域得到广泛的应用，而将碳量子点应用到电化学能量存储方面的研究较少，自2013年，人们开始尝试制备碳量子点/ruo2，碳量子点/聚苯胺，碳量子点/石墨烯复合材料并探究其电化学性能，这些报道发现碳量子点可以为电解液与电极之间提供良好的接触界面，从而改善提高电极材料的比电容，完善比率性能和循环稳定性。作为过渡金属氧化物之一，四氧化三钴在催化、电化学、传感器及太阳能电池等领域具有潜在应用，受到较广泛的关注，在超级电容器方面也拥有良好的电化学性能，co3o4具有高理论电容量、资源丰富、环境友好、价格低廉等优点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碳量子点-四氧化三钴复合电极材料及其制备方法；本发明将含氮基团的碳量子点与四氧化三钴结合，可提高电化学性能。本发明工艺简单，操作方便；制备的复合电极材料形貌可控，分散均匀。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种碳量子点-四氧化三钴复合电极材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)合成氮掺杂的碳量子点

将乙二胺、无水柠檬酸、五氧化二磷和水加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中进行水热反应；反应结束后，冷却到室温，加入去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点；

(2)合成碳量子点-四氧化三钴复合材料

将可溶性钴盐、碳量子点和尿素在水中超声混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜进行水热反应；反应结束后，离心、洗涤、干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

优选的，步骤(1)中，无水柠檬酸、乙二胺、五氧化二磷与去离子水的质量比为(1～2):(2～5):(2～6):1。

优选的，步骤(1)中，水热反应温度为80～150℃，水热反应时间为2～8h。

优选的，步骤(2)中，可溶性钴盐为硝酸盐，硫酸盐，醋酸盐和盐酸盐中的一种。

优选的，步骤(2)中，可溶性钴盐的摩尔浓度为1～3mol/l。

优选的，步骤(2)中，可溶性钴盐和尿素的摩尔比为1:1～1:5；碳量子点的质量是可溶性钴盐质量的1.5％～4.5％。

优选的，步骤(2)中，水热反应温度为100～160℃，水热反应时间为12～20h。

本发明还提供一种上述所述制备方法制备的碳量子点-四氧化三钴复合材料。优选的，其为菊花状空间结构、圆形花状、密集花状或细长草叶状和小球状的结合。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明选取价格低廉的柠檬酸作为原料，采用简单的水热法首先合成环保无毒的氮修饰的碳量子点，然后与资源丰富的钴盐，尿素混合制备碳量子点-四氧化三钴的复合材料，其中经氮修饰的零维纳米结构碳量子点不仅具有较高的比表面积，而且可以为电极和电解液之间的界面反应提供极好的活性位点，促进离子扩散和改善电荷转移动力学，实现高效利用，从而使电极材料表现出更好的电化学性能；此外，碳量子点可以增强四氧化三钴的分散均匀性，降低四氧化三钴的团聚，增强循环稳定性；相对于其他碳材料，碳量子点的零维纳米结构使其可以更加灵活地构建多种结构，通过调控碳量子点的加入量可以较好地控制四氧化三钴的形貌；选用简单的水热法，操作方便；制备的复合材料电化学性能优良。

附图说明

图1:a是本发明实施例1制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料的扫描电镜图；b是本发明实施例1制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料制备成超级电容器电极，其循环2000圈后的循环性能图。

图2是本发明实施例2制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料的扫描电镜图。

图3是本发明实施例3制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料的扫描电镜图。

图4是本发明实施例4制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料的扫描电镜图。

图5是本发明实施例5制备的碳量子点-四氧化三钴复合纳米材料制备成超级电容器电极，测定其在扫描速率为5mv/s、10mv/s、20mv/s、40mv/s、50mv/s、100mv/s下的循环伏安图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

实施例1

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl(0.45g)乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在120℃下水热反应3h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

本实施例中制备得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料样品，其扫描电镜图为图1a，表现菊花状空间结构；当制备成超级电容器电极，表现明显的法拉第氧化还原反应；在0.5ag^-1时，比电容为1387.5fg^-1；其循环2000圈后的循环性能见图1b，电容保持率为97.6％。

实施例2

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.1g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在120℃下水热反应3h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

图2为本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料得扫描电镜图，可见其形貌为细长草叶状和小球状的结合；当制备成超级电容器电极，在0.5ag^-1时，比电容为1037.6fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为90.5％。

实施例3

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在100℃下水热反应6h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

图3为本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料得扫描电镜图，可见其形貌为密集花状；当制备成超级电容器电极，在0.5ag^-1时，比电容为1158.9fg^-1；其循环2000圈后电容保持率为88.3％。

实施例4

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在120℃下水热反应3h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，20mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

图4为本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料得扫描电镜图，可见其形貌为圆形花状；当制备成超级电容器电极，在0.5ag^-1时，比电容为859.4fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为96.8％。

实施例5

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在110℃下水热反应3h，然后将其冷至室温并加入5ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

图5为本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料当制备成超级电容器电极，测定其在扫描速率为5mv/s、10mv/s、20mv/s、40mv/s、50mv/s、100mv/s下的循环伏安图，在100mv/s下，依然表现明显的氧化还原峰，表明较好的倍率性能。在0.5ag^-1时，比电容为1096.0fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为91.6％。

实施例6

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在120℃下水热反应5h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.006mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

将本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料当制备成超级电容器电极，测定其电化学性能：在0.5ag^-1时，比电容为853.7fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为87.2％。

实施例7

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将300μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在120℃下水热反应3h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.01mol尿素混合并加入30ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜140℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

将本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料当制备成超级电容器电极，测定其电化学性能：在0.5ag^-1时，比电容为906.8fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为77.8％。

实施例8

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将500μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.4g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入1ml去离子水并密封在100℃下水热反应6h，然后将其冷至室温并加入10ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，40mg碳量子点，0.015mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜140℃加热反应14h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

将本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料当制备成超级电容器电极，测定其电化学性能：在0.5ag^-1时，比电容为1219.5fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为94.7％。

实施例9

合成氮掺杂的碳量子点：室温条件下将600μl乙二胺加入到含有0.2g无水柠檬酸和0.6g五氧化二磷的混合液中，转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜，加入2ml去离子水并密封在120℃下水热反应5h，然后将其冷至室温并加入5ml去离子水形成透明溶液，加入无水乙醇进行离心洗涤，得到碳量子点沉淀，于真空干燥箱干燥备用。

合成碳量子点-四氧化三钴复合材料：将0.005molcocl2﹒6h2o，50mg碳量子点，0.015mol尿素混合并加入40ml去离子水超声混合均匀形成红色透明溶液，将混合液转移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜120℃加热反应20h，用乙醇离心洗涤并干燥即得碳量子点-四氧化三钴复合材料。

电极制备和电化学性能测试：按照质量比为8:1:1分别称取活性物质8mg，乙炔黑1mg，聚四氟乙烯100μl，加入1ml乙醇作为溶剂，搅拌混合均匀，烘至呈黏糊状，涂至1cm*3cm*1mm泡沫镍上，真空干燥12h，以2mkoh溶液作为电解液，ag电极作为参比电极，泡沫镍作为对照电极，在三电极体系下测定材料的电化学性能。

将本实施例得到的碳量子点-四氧化三钴复合材料当制备成超级电容器电极，测定其电化学性能：在0.5ag^-1时，比电容为880.5fg^-1；其循环2000圈后的电容保持率为90.2％。