[发明专利]一种立方晶Co3O4掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备及应用

说明书

本发明涉及一种立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备及应用，制备采用三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液来溶解盐酸多巴胺和分散氧化石墨烯混合，通过调节pH值，得到聚多巴胺修饰的石墨烯，然后将其与溶有聚乙二醇6000的硝酸钴溶液混合搅拌，再将混合物经水热法反应，然后过滤、洗涤、干燥后高温煅烧等处理制得。该材料具有以下优点：聚多巴胺在石墨烯表面修饰并还原其表面的氧化基团，使石墨烯具有良好的分散性和亲水能力；采用碳化法和水热法，工艺简单、成本低；立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料用作超级电容器电极材料的应用，在‑0.1‑0.4V范围内充放电，在放电电流密度为1A/g时，比电容可以达到600‑1000F/g，且具有优异的电化学特性和化学稳定性。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构。C原子间以σ键相连，未杂化的p轨道形成大π键。石墨烯的特殊结构表现出优异的物理性能，比如霍尔效应、超高的电子迁移率和弹道运输、较长的电子平均自由程、良好的热传导和机械性能。石墨烯在催化、传感器、超级电容器等领域具有重要的应用价值。

而多巴胺是一种贻贝粘附蛋白，不仅具有强黏附性又富含各种官能团，可在不同材质表面进一步反应形成功能层，从而实现对材料表面的功能化改性。聚多巴胺结构中含有大量的-OH和-NH₂，是很好的二级反应平台。一方面，这些基团可以用于接枝反应；另一方面，这些基团能够有效地吸收金属离子，加上聚多巴胺本身具有弱的还原性，可将贵金属离子溶液还原成贵金属纳米粒子（MNPs）。同时，由于聚多巴胺具有氧化反应选择性，聚多巴胺与氧化石墨烯的复合材料同时兼具两者的特性在碱性环境下更加多孔，比表面积大，适合做超级电容器的电极材料。

过渡金属氧化物单独作为超级电容器电极材料结构致密，导电性能差，用导电性能较好的碳素材料复合比电容较大的金属氧化物。如此一来很好的解决了碳电极材料和金属氧化物电极材料相比比电容较小，过渡金属氧化物单独作为超级电容器电极材料结构致密，不利于电解液的浸润，导电性能较差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备方法及其在超级电容器中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）聚多巴胺-氧化石墨烯的制备：将一定质量的氧化石墨烯分散到盐酸多巴胺的水溶液中，然后加入三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液，调节pH 值，在室温下磁力搅拌一定时间，得到聚多巴胺-氧化石墨烯混合溶液， 记为M；

2）聚多巴胺-氧化石墨烯-硝酸钴的制备：将一定质量的聚乙二醇6000、六水合硝酸钴溶于水中，搅拌，记为溶液N，然后将N溶液和M溶液混合，得到聚多巴胺-氧化石墨烯-硝酸钴；

3）将步骤2）得到的聚多巴胺-氧化石墨烯-硝酸钴，在一定条件下水热反应，然后过滤、洗涤、干燥，得到黑色固体粉末；

4）将步骤3）得到黑色固体粉末，在空气条件下，一定温度下煅烧处理，即可得到立方晶Co₃O₄掺杂石墨烯多孔碳复合材料。

制备方法中，步骤1）所述盐酸多巴胺、氧化石墨烯、水的质量比为：盐酸多巴胺︰氧化石墨烯︰水=0.5︰0.1-0.5︰100，所述的pH范围为7-10。