[发明专利]一种氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学技术领域，涉及一种二维阶层结构复合电极材料，具体来说，涉及一种氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着现代科技的迅速发展，人类将面临着前所未有的机遇，同时也会遇到环境恶化和能源日渐短缺等问题。能源危机已经变成可持续发展的战略核心，因此开发新的清洁能源已经成为科学家们关注的热点和焦点。然而在诸多的能量形式当中，电能是使用最后广泛的清洁能源之一。然而，电能的储存是能源研究的热点同时也制约其发展。

当前大多数商业化的电极材料主要是以碳材料为主，但是其充放电比较差，同时由于孔径过小导致导电性能差，但是其具有热力学和化学稳定性好等优点。而过渡金属氧化物和碳材料不同，具有高的能量密度。但是其缺点就是循环稳定性差，导电性不强，工作电压低，同时比表面积差，不利于电子的快速运输。如果将金属氧化物与碳材料复合，将克服上述两者的缺点，将大大提高性能，可能在能源器件(超级电容器、锂离子电池、燃料电池)上的应用发挥巨大的作用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料及其制备方法。该方法环境友好，得到的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物二维阶层结构电极材料能解决现有技术中的双金属氧化物导电性不好、易团聚等的缺点，同时具有良好的循环稳定性。

本发明首先通过水热反应得到CoAl氢氧化物；接着将多巴胺与CoAl氢氧化物进行搅拌复合，最后高温热处理得到氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物。

本发明具体技术方案介绍如下。

本发明提供一种氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备CoAl氢氧化物

将硝酸钴、硝酸铝、尿素和去离子水混合，通过超声处理，使其充分溶解，得到的溶液移入水热反应釜中进行水热反应，反应结束后，自然冷却至室温；

(2)合成氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物

先将含氮有机物加入到上述步骤(1)得到的溶液中搅拌，再洗涤冻干；之后将样品置于管式炉中，在惰性气体保护下进行热处理，得到氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料。

本发明中，步骤(1)中，硝酸钴和硝酸铝的质量比为2:15～8:1，硝酸钴和去离子水的质量体积比为1:1～1:1 2mg/ml。

本发明中，步骤(1)中，硝酸钴与尿素的质量比为1:1-5:1，超声时间为15-30min。

本发明中，步骤(1)中，水热反应温度为90-120℃，反应时间为12-24h。

本发明中，步骤(2)中，搅拌时间为24-48h。

本发明中，步骤(2)中，含氮有机物选自多巴胺、苯胺或吡咯中任意一种；含氮化合物和硝酸钴的质量比为1:10～5:10。

本发明中，步骤(2)中，冷冻干燥时间为24-48h。

本发明中，步骤(2)中，热处理时，其加热控制程序为：4-6℃/min的速度升温至400-1000℃，保温时间为2-4h。

本发明还提供一种上述制备方法得到的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料。优选的，复合材料中，以质量百分数计，Co占30～35％，Al占15～20％，O占20～25％，C占15～20％，N占5～10％。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过本发明的方法获得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物复合电极材料充分利用了双金属氧化物、含氮有机物的协同作用，克服了单纯金属氧化物循环性能差、单独碳材料能量密度低的缺点，不仅循环稳定性好，而且形貌可控性强，具有较高的比电容，是理想的能源材料之一。

附图说明

图1是实施例1所得的CoAl氢氧化物粉末的扫描电镜图。

图2是实施例2所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物的透射电镜图。

图3是实施例2所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物电化学性能测试图。

图4是实施例2所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物粉末的XRD图。

图5是实施例3所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物的扫描电镜图。

图6是实施例4所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物的扫描电镜图。

图7是实施例2所得的氮掺杂碳包覆的层状CoAl氧化物能谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

实施例1