[发明专利]一种八面体硫化钴‑石墨烯复合电极材料以及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料以及制备方法，属于电极材料技术领域。

背景技术

超级电容器作为一种研究较热的储能装置，在电子设备、航空航天、记忆存储系统、交通运输等领域具有重要的作用。电极材料是决定超级电容器性能优劣的一大重要因素。传统双电层电容器(主要为碳材料)在电极和电解液之间形成双电层，以静电方式存储电能，具有高的功率密度和长的循环寿命，但其储能容量较低，导致能量密度较低；法拉第赝电容(主要包括金属氧化物和导电聚合物)通过氧化还原反应或电沉积，以电化学方式储存电能，具有很高的理论比电容(是传统双电层电容器的几倍甚至几百倍)，这个特点也是使其成为研究热点的重要原因之一。

过渡金属硫化物由于其独特的物理化学性质，在制备超级电容器电极材料方面获得越来越多的关注，硫化钴由于导电性能良好，环境友好，热稳定性好，理论比电容高等特点，在电极材料方面具有重要的开发和应用潜力，通过发生快速的法拉第氧化还原反应产生赝电容，但是较低的电化学利用率是限制导电性和倍率性的因素之一。

石墨烯通过碳原子以sp²杂化轨道排列形成二维单层晶体，具有理想的单原子层厚度，这种结构使石墨烯具有较大的理论比表面积(2630m²g^-1)，较高的电导率和良好的循环稳定性；但是石墨烯片层之间较强的范德华力使片层叠加，产生团聚现象，比表面积显著下降，从而导致比电容降低。基于以上特点，将过渡金属硫化物和石墨烯进行复合，发挥过渡金属硫化物的赝电容效应，同时减少石墨烯的团聚现象，实现二者的协同作用，提高倍率性能、能量密度和功率密度，增强复合材料的整体电化学性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供电化学性能优良的八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料及其制备方法；本发明制备方法操作简便，得到的八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料能改善现有技术中单纯硫化钴作为电极材料的电化学性能。

本发明技术方案具体介绍如下。

一种八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将石墨烯分散液、硝酸钴水溶液和丙酮混合均匀后，于水热釜中进行水热反应；水热反应结束后，离心分离得到含钴的石墨烯材料；丙酮作为溶剂和形貌引发剂；

(2)在含钴的石墨烯材料中加入硫化钠水溶液后，于水热釜中进行水热反应，反应结束后，离心分离、洗涤干燥得到八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料。

本发明中，步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯和水的质量比为1:8～3:2；硝酸钴溶液中，硝酸钴与水的质量体积比为6:1～50:1mg/mL。

本发明中，步骤(1)中，氧化石墨烯与硝酸钴的质量比为1:50～1:90；硝酸钴和丙酮的质量比为2:1～5:1。

本发明中，步骤(1)中，水热反应温度为150～180℃；水热反应时间为12～15h。

本发明中，硝酸钴与硫化钠的质量比为6:1～1:1；所述的搅拌时间为30～60min。

本发明中，步骤(2)中，水热反应温度为140～160℃；所述的水热反应时间为8～10h。

本发明还提供一种上述的制备方法得到的八面体硫化钴-石墨烯复合材料。

本发明通过上述方法制备的八面体硫化钴-石墨烯复合材料，所述的获得的八面体硫化钴-石墨烯复合材料中，八面体硫化钴均匀地分散或嵌入到石墨烯中，有效减小了八面体硫化钴的堆积聚集现象，同时减弱了石墨烯的叠加团聚现象；八面体硫化钴与石墨烯分散均匀，二者的结合力较强。

本发明以氧化石墨烯作为基底，以硝酸钴提供钴源，以硫化钠提供硫元素，通过两步操作简便的简易水热方法，控制物质比例和水热条件，制备获得八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料，相对于直接混合一步水热合成法，所得到的复合材料比表面积可高达362m²g^-1，较高的比表面积为活性物质与电解液之间的电荷转移提供顺畅的离子通道，进而提高材料电化学性能；此材料的电化学稳定性较好。

本发明制备得到的八面体硫化钴-石墨烯复合电极材料具有优异的电化学性能，由于八面体硫化钴与石墨烯二者的协同作用，复合材料表现出良好的导电性，较大的比电容(在电流密度为0.5A g^-1，比容量为381F g^-1～579.6F g^-1)和优异的循环性能(经过2000圈循环充放电，比电容保持率为83.3～88.5％)。