[发明专利]一种四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫复合电极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种四氧化三钴‑氧化镍/石墨烯泡沫复合电极材料的制备方法，包括如下具体步骤：通过化学气相沉积法制备石墨烯包裹的泡沫镍，将其浸入三氯化铁和盐酸的混合溶液中，刻蚀去除金属镍后制得石墨烯泡沫；配制钴盐、聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，将制备的石墨烯泡沫浸泡在所得溶液中；配制四氰合镍酸钾溶液，将所得溶液缓慢倒入钴盐、聚乙烯吡咯烷酮和石墨烯泡沫的混合溶液中静置，制得氰基桥联配位骨架/石墨烯泡沫；再将其进行高温煅烧制得四氧化三钴‑氧化镍/石墨烯泡沫复合材料。本发明的优点在于：本发明制备工艺操作简单，重复性好；制备的材料用于超级电容器电极材料时，表现出高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料的技术领域，特别涉及一种四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫复合电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

能源短缺和环境污染使开发和研究可持续、可再生的高效电化学储能系统成为当今世界最为重要的研究领域之一。超级电容器作为电化学储能装置因其功率密度高、长循环稳定性好、充放电速率快和维护成本低而备受关注。近年来，具有优异的赝电容性能的过渡金属氧化物表现出比碳质材料更高的比电容和能量密度，如RuO₂、Fe₂O₃、Co₃O₄、NiO、CuO和Mn₂O₃等作为有应用前景的赝电容器电极材料已被广泛研究。与单金属氧化物相比，双金属氧化物兼具各组分的优点，并显示出更好的电化学活性和电化学可逆性。在过渡金属氧化物中，四氧化三钴和氧化镍由于其低成本，优异的氧化还原活性，环境友好性以及高理论比电容而被认为是用于赝电容器的理想电极材料。然而，这些材料在充电/放电过程中存在低导电率和大体积变化的缺点。为了进一步改善这类材料的电化学性能，人们尝试构造金属氧化物/碳复合材料以增加电极的导电性。在诸多碳材料中，石墨烯泡沫具有高比表面积和稳定性，既可以增加导电性又可以减少循环期间的体积变化。特别是，金属氧化物负载的石墨烯泡沫具有比纯金属氧化物更高的电化学活性，这些复合物已被用作高性能超级电容器的无粘合剂电极材料。鉴于氰基桥联配位骨架衍生的双金属氧化物和石墨烯泡沫各自的优点，可以预期这两种组分复合后的材料将表现出更加优异的电化学性能。然而，目前关于氰基桥联配位骨架衍生的双金属氧化物与石墨烯泡沫复合的电极材料鲜有报道。

因此，如何将这类双金属氧化物与石墨烯泡沫结合来构筑新型高性能超级电容器电极材料是目前需要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种比容量高、稳定性好、成本低廉、工艺简单的四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫复合电极材料的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫复合电极材料的制备方法，其创新点在于：所述制备方法包括如下步骤：

步骤1：石墨烯泡沫的制备：将泡沫镍置于管式炉中，在体积比1:16:40的CH₄、H₂和Ar混合气的气流中升温至1000 ℃～1100 ℃，并保温一段时间后快速冷却至室温，制得石墨烯包覆的泡沫镍；然后将石墨烯包覆的泡沫镍浸入氯化铁和盐酸的混合溶液中12 h～24h，除去金属镍，再用去离子水清洗，干燥，制得石墨烯泡沫；

步骤2：氰基桥联配位骨架/石墨烯泡沫的制备：以乙醇/去离子水为溶剂，配制钴盐、聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，将步骤1中制得的石墨烯泡沫浸泡在上述混合溶液中；以乙醇/去离子水为溶剂，配制四氰合镍酸钾溶液，将所得四氰合镍酸钾溶液加入上述混合溶液中静置6～24 h，所得反应产物用乙醇清洗，干燥，制得氰基桥联配位骨架/石墨烯泡沫；

步骤3：四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫的制备：将步骤2制得的氰基桥联配位骨架/石墨烯泡沫在300℃～450℃的条件下煅烧，煅烧后自然冷却至室温得到四氧化三钴-氧化镍/石墨烯泡沫复合材料。