[发明专利]片层结构的钴铝双氢氧化物--还原氧化石墨烯复合材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种片层结构的钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，本发明同时还涉及该钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料在制备超级电容器电极中的应用。

背景技术

能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重和全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。超级电容器（又称电化学电容器）作为一种新型储能装置，由于具有功率密度高，充放电速率快，对环境无污染及良好的循环稳定性等许多优点，在新能源系统中占有重要地位。超级电容器的性能主要取决于电极材料。目前所研究的超级电容器电极材料主要包括：双电层碳基材料和赝电容材料（过渡金属氧化物、氢氧化物和导电聚合物）。然而，每一种材料作为超级电容器电极材料都有其优缺点。例如过渡金属氧化物和氢氧化物具有较高的比电容但是稳定性较差, 碳材料虽具有高的功率密度和良好的循环寿命，但其小的双电层电容性能限制了该材料在超级电容器中的应用。 

石墨烯作为一种新型的碳材料，因其超大而完美的sp²杂化体系使其具有无与伦比的面内电荷传输性能，单分子层的厚度又使其具有超高的理论表面积，在发展新型复合材料、构建高性能电化学新能源器件方面受到了广泛的关注。过渡金属氢氧化物中，Co(OH)₂ 具有很高的理论比电容，自然界中，氢氧化钴主要以两种晶型存在:                                               和，但是不稳定，在强碱中容易转化为，因此，研究者通过同晶替换的方法用其它金属离子来部分取代氢氧化钴中的钴离子以提高的稳定性。其中， Al由于价格低廉而且具有良好的稳定性，吸引众多学者着眼于对钴铝双氢氧化物的研究。钴铝双氢氧化物因其造价低、环境友好以及容易生长在各种基底上等特性，已成为超级电容器很有潜力的候选材料。结合二者的特性，制备得到的复合材料作为超级电容器电极材料，不仅能够实现材料性能和成本的合理利用，并且具有单一电极材料所不具备的优良性能，应用前景十分广泛。

发明内容

本发明的目的是提供了一种片层结构的钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供该片层结构钴的铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料的应用。

（一）钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的制备

本发明片层结构的钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，是先将Co(NO₃)₂和Al(NO₃)₂溶解到水中形成混合溶液；再将氧化石墨烯（GO）充分超声分散在水中形成亮黄色溶液，并加入到上述混合溶液中，搅拌20~30h；然后相体系中加入六次甲基四胺（HMT），于100~160℃回流12~24h；反应结束后经过滤、洗涤、在 40~60℃下真空干燥，得到片层结构的钴铝双氢氧化物-石墨烯复合材料（Co-Al-LDH/RGO）。

所述混合溶液中，Co(NO₃)₂与Al(NO₃)₂的质量比为2.5:1~0.5:1。

所述氧化石墨的质量为Co(NO₃)₂、Al(NO₃)₂总质量的1%~6%。

所述六次甲基四胺的加入量为Co(NO₃)₂、Al(NO₃)₂总质量的0.4~0.7倍。

下面通过场发射扫描电镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）以及电化学工作站CHI660B对本发明制备的片层结构的钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的结构及性能继续进行分析说明，并与同条件下制备的单纯的钴铝双氢氧化物及还原氧化石墨烯作对比。

图1为本发明制备的单纯的钴铝双氢氧化物的场发射扫描电镜图。由图1可见，钴铝双氢氧化物呈现出很好的片层结构。图2为本发明制备的具有最佳组分比的钴铝双氢氧化物-还原氧化石墨烯复合材料的场发射扫描电镜图。由图2可见，复合材料承袭了单纯的钴铝双氢氧化物的片层结构，并且层层之间表现的更为疏松，这将有利于电解液离子的嵌入和脱出，有利于提高其电容性能。