[发明专利]一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纤维负载钴氧化物复合材料，原料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸钴和溶剂DMF，通过先进行静电纺丝获得前驱体，再进行高温煅烧的两步碳化法制得，所得复合材料中，碳元素以碳纤维结构存在，其直径为0.1‑0.5微米，钴元素以氧化物形式均匀负载在碳纤维内。其制备方法包括以下步骤：1）静电纺丝法制备前驱体；2）高温煅烧制备碳纤维负载钴氧化物复合材料。作为超级电容器电极材料的应用，在0‑0.55V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容为210‑300 F/g。具有原料相容性好，毒性低，制备条件温和，绿色环保的优点；并且静电纺丝技术具有易操作、低成本、性能稳定，适合大批量的制备，在超级电容器领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种基于碳纤维负载钴氧化物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，也被称为电化学电容器，由于其具有高功率密度、长循环寿命、简单的反应机理和较低的维护成本，有希望在将来代替传统储能设备。超级电容器电极材料一直是近年来研究的热点，法拉第电容电极材料，如过渡金属氧化物，比电容高，但导电性和稳定性差；双电层电容器电极材料，如碳材料，稳定性好，但比电容低。因此，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，即金属氧化物和碳材料，得到高比电容的材料一直是研究人员关注的焦点。

碳纤维作为一种形貌规整，孔洞多，比表面积大的碳材料，广受研究者的喜爱。

潘超等人将修饰过的金属氧化物纳米粒子与制备好的碳纤维结合，得到了一种碳纤维包裹金属氧化物的材料用于超级电容器。该现有技术采用现成的碳纤维，存在以下技术问题：1、原料成本较高；2、两步非原位负载金属氧化物的方法存在在材料的稳定性存在提高空间；3、两步法在工艺流程上存在提高空间。

舒威达等人采用FeCl₂和海藻酸钠溶液混合后经处理得到纳米多孔碳纤维。此方法制备至少需要4步流程，工艺条件要求高，冷冻温度要求低（-50℃），耗时长（48h），碳化温度需高达900 ℃，并且还需要用4M HCl清洗，过程既危险又不环保，流程繁琐，并能满足大规模生产的要求。

制备碳纤维的方法中，静电纺丝技术具有材料直径小、形貌可控、制备方法简单、通用的特点，近年来广受大家喜爱。静电纺丝所制备的材料的多孔和高比表面积能够增大电解液和电极材料的接触面积，从而使其在电化学反应过程中具有更短的离子和电子扩散路径。因此，静电纺丝所制备的纳米材料被认为是新型电化学储能设备电极材料的理想选择。

李健生等人将ZIF-8纳米粒子超声分散于DMF中，加入聚丙烯腈得到混合溶液，采用静电纺丝技术，制备了一种含有金属粒子用于超级电容器的中空碳纤维材料。该现有技术存在的技术问题就是金属有机框架ZIF-8没有实现商业化，只能依靠实验室合成，导致原料成本高昂和原料一致性无法满足规模化生产的要求。

因此，通过成本低廉的、商业化的原料，采用静电纺丝技术，将金属氧化物负载在纳米碳纤维上，获得优异的电极材料具有显著的经济价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维负载钴氧化物复合材料及其制备方法和在超级电容器领域的应用。

本发明创新性地利用含有Co粒子的PVP/DMF混合溶液通过静电纺丝技术得到前驱体，制备纳米碳纤维复合材料。基本工作原理是采用静电纺丝法将PVP/DMF与Co离子的混合溶液进行电纺，得到纳米纤维前驱体，然后在管式炉、马弗炉一定温度下进行碳化，实现钴氧化物的原位负载，得到负载有钴金属氧化物的纳米碳纤维复合材料。

由于对高性能储能设备的需求，一维纳米纤维材料被广泛的应用于各种新型设备中。静电纺丝在制备一维纳米纤维材料的过程中具有易操作和低成本的优势，并且电纺所制备的材料具有较大的比表面积等，可以有效的提升电化学反应过程中电子和离子的传递效率，从而提高储能设备的电化学性能。