一种三维宝石结构Co3O4纳米材料的制备方法及应用

一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法及应用
技术领域
1.本发明涉及纳米材料制备以及能源储备技术领域，具体为一种三维宝石状结构co3o4纳米材料制备方法以及纳米材料在超级电容器中的应用。


背景技术：

2.我们的日常生活在很大程度上依赖于电能。目前，化石燃料是人类生活和生产的主要能源来源。随着全球能源消耗的增长，在不久的将来，不可再生能源如化石燃料将消耗殆尽，这将会对环境和能源产生严重的影响。因此，开发新型清洁能源以及高效的储能技术越来越受到人们的青睐。超级电容器因为具有许多优势如高功率密度和低成本已经引起了学术界和产业界广泛的研究关注。近年来，各种过渡金属氧化物被广泛应用在超级电容器中。
3.co3o4是一种具有尖晶石结构的p型过渡金属氧化物半导体，因其具有高理论电容值（3560f
·
g
‑1），成本低、来源广泛和适当的能带隙能（2.1ev）等特点，在许多领域如超级电容器、传感器等应用方面引起了广泛的关注。在超级电容器方面，过去的十年中，出现了大量的co3o4材料的研究工作。虽然co3o4电极材料取得了一些进展，但仍然有一些缺点限制了他们进一步的实际应用，如低电容，低能量密度，循环稳定性差。因此，采用新型制备方法制备高容量、高稳定性能的co3o4电极材料对促进储能技术的快速发展具有积极的意义。


技术实现要素：

4.本发明目的是采用水热法制备三维宝石形状的具有介孔结构的co3o4纳米材料，该材料结构稳定、比表面积大，应用到超级电容器具有极高的比电容值以及优秀的稳定性能。
5.本发明是采用如下技术方案实现的：一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法，包括如下步骤：（1）、取co(no3)2·
6h2o的摩尔质量为1~7mmol，加入16~28ml去离子水搅拌，充分溶解后，加入氨水的体积为2~15ml，再搅拌0.5~1h；（2）、将泡沫镍分别用丙酮、盐酸、去离子水处理；（3）、处理好的泡沫镍连同步骤（1）中所配制溶液放入50ml聚四氟乙烯的高压反应釜中，100~150℃水热8~13h，水热反应完成后，将负载有前驱体的泡沫镍取出并用去离子水冲洗干净；（4）、将清洗好的前驱体60℃烘干，200~400℃退火2h，得到产物co3o4纳米材料。
6.进一步优选的，一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法，包括如下步骤：（1）、取co(no3)2·
6h2o的摩尔质量为6mmol，加入18ml去离子水搅拌，充分溶解后，加入氨水的体积为12ml，再搅拌40min；（2）、将泡沫镍分别用丙酮、盐酸、去离子水处理；（3）、处理好的泡沫镍连同步骤（1）中所配制溶液放入聚四氟乙烯的高压反应釜中，120℃水热12h，水热反应完成后，将负载有前驱体的泡沫镍取出并用去离子水冲洗干
净；（4）、将清洗好的前驱体60℃烘干，300℃退火2h，得到产物co3o4纳米材料。
7.本发明所述的三维宝石状结构co3o4纳米材料的制备方法，所制备材料能够用作超级电容器电极材料。
8.本发明以泡沫镍为基底，以co(no3)2·
6h2o和氨水为原料，在一定温度下水热一定时间即可得到样品，制备的三维宝石状co3o4纳米材料呈现出规整的三维宝石状，并且验证了材料的晶相结构（材料的xrd测试结果）。本发明制得的co3o4纳米材料的吸脱附曲线和孔径分布图中可以看出，材料的比表面积高达117.7m2·
g
‑1。通过恒流充放电对材料的性能进行了测试，其充放电通过公式（1）可得，在质量电流密度为1a
·
g
‑1条件下，质量比电容可以高达1060f
·
g
‑1，表现出优良的电化学性能。
9.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）本发明方法设计合理，过程简单，原料来源广泛，结构稳定，比表面积大，本发明方法制备的co3o4纳米材料应用在超级电容器中质量比电容值高，在超级电容电极材料上具有良好的应用前景，而且可以作为许多其他研究领域包括光催化、传感器的候选材料之一，具有很好的实际应用价值。
附图说明
10.图1a表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的sem图（100μm）。
11.图1b表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的sem图（10μm）。
12.图2表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的xrd图。
13.图3a表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的吸脱附图。
14.图3b表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的孔径分布图。
15.图4表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的红外吸收谱图。
16.图5a表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的xps谱图（810ev~775ev）。
17.图5b表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料的xps谱图（545ev~525ev）。
18.图6表示不同实施示例在1a g
‑1电流密度下的充放电测试图。
19.图7表示本发明实施例3制备的co3o4纳米材料在不同质量电流密度下的充放电测试图。
具体实施方式
20.下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
21.实施例1一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法，如下：（1）、取co(no3)2·
6h2o的摩尔质量为2mmol，加入26ml去离子水搅拌，充分溶解后，加入氨水的体积为4ml，再搅拌40min。
22.（2）、将泡沫镍分别用丙酮、盐酸、去离子水处理。
23.（3）、处理好的泡沫镍连同上述（1）中所配制溶液放入50ml聚四氟乙烯的高压反应釜中，120℃水热12h，水热反应完成后，将负载有前驱体的泡沫镍取出并用去离子水冲洗干
净。
24.（4）、将清洗好的前驱体60℃烘干，300℃退火2h，得到产物co3o4纳米材料。
25.实施例2一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法，如下：（1）、取co(no3)2·
6h2o的摩尔质量为4mmol，加入22ml去离子水搅拌，充分溶解后，加入氨水的体积为8ml，再搅拌40min。
26.（2）、将泡沫镍分别用丙酮、盐酸、去离子水处理。
27.（3）、处理好的泡沫镍连同上述（1）中所配制溶液放入50ml聚四氟乙烯的高压反应釜中，120℃水热12h，水热反应完成后，将负载有前驱体的泡沫镍取出并用去离子水冲洗干净。
28.（4）、将清洗好的前驱体60℃烘干，300℃退火2h，得到产物co3o4纳米材料。
29.实施例3一种三维宝石结构co3o4纳米材料的制备方法，如下：（1）、取co(no3)2·
6h2o的摩尔质量为6mmol，加入18ml去离子水搅拌，充分溶解后，加入氨水的体积为12ml，再搅拌40min。
30.（2）、将泡沫镍分别用丙酮、盐酸、去离子水处理。
31.（3）、处理好的泡沫镍连同上述（1）中所配制溶液放入50ml聚四氟乙烯的高压反应釜中，120℃水热12h，水热反应完成后，将负载有前驱体的泡沫镍取出并用去离子水冲洗干净。
32.（4）、将清洗好的前驱体60℃烘干，300℃退火2h，得到产物co3o4纳米材料。
33.从给出的实施例3制备的co3o4纳米材料的扫描电镜图，图1a中可以清晰地看到纳米材料均匀的覆盖在骨架泡沫镍结构上，图1b更直接地看出所制备纳米材料具有规整的宝石结构。图2给出了所制备材料的晶相结构，其中44.51
°
，51.84
°
以及76.39
°
分别归属于ni的(111)，(200)和(220)晶面(jcpds 04
‑
0850)，此外，19.01
°
，36.87
°
，38.54
°
，55.66
°
，59.42
°
，65.23
°
分别属于co3o4的不同晶面(jcpds 04
‑
0850)。
34.图3a和图3b给出的是纳米材料的氮气吸脱附曲线以及孔径分布，co3o4的比表面积可以达到117.7m2·
g
‑1，平均孔径和孔体积分别为13.6nm和0.069cc
·
g
‑1。众所周知，由于制备过程的不同，样品的形貌差异很大，进一步导致了结构性能的差异，包括比表面积。由于所制备的氧化物具有独特的三维“宝石状”介孔结构，样品比其他类似材料获得了更高的表面积，因此能够展现出更好的电化学性能。图4给出的纳米材料的红外谱图，660cm
‑1和570cm
‑1处的两个强峰分别对应于co(2p)
‑
o键和co(3p)
‑
o键的伸缩振动，进一步验证了纳米材料的结构。图5a和图5b给出的是xps谱图，在co2p图中，两个主峰的中心位置约为795.1ev和780.1ev，分别为co 2p1/2和co 2p3/2的金属峰；另外，从图5b中只能看到一个峰，位于530.1ev，归属于o1s，这与co3o4相中的晶格氧相一致。图6和图7给出的分别是不同实施例在1a
·
g
‑1电流密度下的充放电性能以及实施例3在不同电流密度下的充放电结果，经过对比，其中实施例3具有最佳的电化学充放电性能，在1a
·
g
‑1的电流密度下，其比电容可以高达1060f
·
g
‑1。
35.本发明所述纳米材料制备方法简单，原料来源广泛，价格低廉，且制备电极材料结晶度好，比表面积大，具有极佳的超级电容比电容值。
36.以上实施例只是为了说明本发明效果及原理，并不是将本发明局限在上述的具体结构和适用范围内，因此凡是所有可能被利用的相似及等同结构，均属于本发明所申请的专利保护范围。