[发明专利]一种CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了CoO‑氮掺杂的多孔碳复合材料，由草酸钴和含氮高分子树脂新制脲醛树脂混合反应，得到草酸钴‑脲醛树脂前驱体，再进行高温煅烧制得。其制备方法包括以下步骤：1）新制脲醛树脂的制备，将甲醛和尿素加入三口瓶中配成溶液后反应得到新制脲醛树脂；2）草酸钴‑脲醛树脂粉末的制备，将新制脲醛树脂、草酸钴和水进行混合，搅拌、烘干、粉碎、研磨，得到草酸钴‑脲醛树脂粉末；3）CoO‑氮掺杂的多孔碳复合材料的制备，将草酸钴‑脲醛树脂粉末放煅烧即可。作为超级电容器电极材料的应用时，比电容可以达到1000⁓1200 F/g。因此，本发明得到的CoO‑氮掺杂的多孔碳复合材料，表现出优良的电化学特性，可用超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料的制备及在超级电容器领域的应用。

背景技术

超级电容器电极材料一直是近年来研究的热点，超级电容器按照其储电机理可分为双电层超级电容器和法拉第超级电容器，而且各有其优缺点。双电层电容器电极材料，如碳材料，稳定性好，但比电容低，而法拉第电容材料，如过渡金属氧化物，比电容高，但导电性和稳定性差。如何将双电层电容器电极材料和法拉第电容电极材料有机的结合起来提高材料的比电容一直是研究人员关注的焦点。含氮原子的高分子树脂材料，可在高温条件下进行碳化，得到多孔碳，在碳化的过程中，氮原子会有一部分保留在多孔碳上，从而得到氮掺杂的多孔碳材料。掺氮的多孔碳材料比单纯的碳材料具有更高的导电性和对水的亲和力，有利于材料表面被电解质溶液润湿，从而提高材料的电荷储存特性。但文献鲜有报道在氮掺杂的多孔碳材料中掺杂过渡金属氧化物。

发明内容

本发明的目的是提供一种CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料及其制备方法和超级电容器领域的应用。通过将草酸钴和高分子树脂混合，利用在树脂碳化的过程中，草酸钴也随之分解，生成CO、CO₂和CoO。产生的气体起到造孔的作用，使得复合材料具有高的比表面积，同时生成的CoO有效提高了材料的比电容。

草酸钴发生如下分解反应：CoC₂O₄ =CoO + CO↑ + CO₂↑

所得到的复合材料不仅表现出多孔碳的双电层电容性能，而且表现出金属氧化物的法拉第电容性能，因而用于超级电容器的电极材料表现出良好的性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料，由草酸钴和含氮高分子树脂混合，再进行高温煅烧，得到CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料，所述的含氮高分子树脂为新制脲醛树脂，所述CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料的前驱体为草酸钴-脲醛树脂。

CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1）新制脲醛树脂的制备，以甲醛和尿素的质量比为1:3-5，将甲醛和尿素加入三口瓶中配成溶液，开动搅拌器，逐渐用NaOH将pH值调至7.0-9.0，升温至70-85℃条件下反应30-60min，用甲酸将反应液的pH值调至3.0-5.0，并在此条件下反应60min，将pH值调至8.0-9.0，冷却得到新制脲醛树脂；

步骤2）草酸钴-脲醛树脂粉末的制备，以新制脲醛树脂、草酸钴和水的质量比为5:1:20，将步骤1）所得新制脲醛树脂、草酸钴和水进行混合，搅拌3-5h；然后烘干、粉碎、研磨，得到草酸钴-脲醛树脂粉末；

步骤3）CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料的制备，将步骤2）得到的草酸钴-脲醛树脂粉末放到的马弗炉中，以升温速率5℃/min，升温至700-900℃进行煅烧，然后保温3h，即可得到CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料。

CoO-氮掺杂的多孔碳复合材料作为超级电容器电极材料的应用，在-0.4-0.6V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容可以达到1000-1200 F/g。