[发明专利]氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料及其合成与应用

说明书

本发明公开了一种氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料及其合成方法，涉及电极材料领域。本方法以碳化后的塑料作为碳源，以硝酸钴作为钴源，经过溶剂热反应，在所述碳源颗粒表面原位生长氧化钴颗粒，获得氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料。本发明的合成方法简单，以碳化塑料作为电极基材，原料丰富、价格低廉，还能改善环境。利用原位生长的方式将钴掺杂到碳化塑料颗粒中，所得产物形貌均匀、比表面积大。结合了塑料碳化颗粒较大比表面积和分层多孔结构的优势，且引入了杂原子形成赝电容，有效的改善碳原子的表面结构，显著提高比电容。本发明的复合材料应用于制作成超级电容器的电极，超级电容器具有较大的电容量和较长的使用寿命。

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料及其合成方法与应用。

背景技术

随着不可再生能源的消耗以及各类环境污染问题的产生，新型能源的开发已经成为新世纪中人类面对的最大挑战之一。而超级电容器作为一种介于传统电容器及电池之间的新型储能元件，是解决化石能源引发的资源枯竭、环境污染、温室效应等问题的重要途径。超级电容器具有超大容量、高功率密度、长循环寿命、高充放电效率等特点。其中关键点在于如何在实际中应用，充分的利用电能。以碳基为负载的复合电极材料具有很高的表面积和孔体积、高的热稳定性、可变的结构组成以及高的化学稳定等特点，以此复合电极材料来制作超级电容器成为当前的研究热点。然而，由于常规生物纤维的固有碳骨架的传质能力不足，使得TMO/C的实际电容量与理论电容仍有较大差距。其中TMO为过渡金属氧化物。因此，迫切需要设计一些具有特殊结构且性能优良的纳米复合电极材料来应对这些挑战。

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，其抗形变能力中等，主要由合成树脂及各类添加剂组成，具有较为稳定的化学性质，同时具有较好的耐冲击性和耐磨耗性，这使得在当今社会生产生活中，塑料所能运用涉及到的方面非常广泛，但是由废弃塑料所带来的“白色污染”也越来越严重，这也使得人们对它愈发关注。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的问题，发明人利用塑料作为碳源，利用其来源广泛，材料易得的特点，将其作为超级电容器的低成本人工合成物质碳来研究。本发明的目的是提供一种以塑料为碳源的复合电极材料及其合成方法与应用，通过将碳源前体与其他含杂原子的前体混合处理，得到具有特殊结构且性能优良的纳米复合电极材料，以使其作为超级电容器的电极材料时，具有更好的分散性、高导电性、大比表面积和扩散路径短等电化学性能。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料的合成方法，以碳化后的塑料作为碳源，以硝酸钴作为钴源，经过溶剂热反应，在所述碳源颗粒表面原位生长氧化钴颗粒，获得氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料。碳化后得到多孔结构、高导电性能和高电容性能的微纳碳颗粒材料。利用原位生长的方式将钴掺杂到多孔碳中，所得产物形貌均匀、比表面积大。

优选地，本发明所用的塑料选自聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料、酚醛塑料、氨基塑料、硝酸纤维塑料、醋酸纤维塑料、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。

进一步地，本发明的氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料的合成方法包括如下步骤：

(1)将塑料在真空环境下碳化，得到多孔碳材料；

(2)将所述多孔碳材料浸入Co(NO₃)₂·6H₂O乙醇溶液中，充分浸润，得到浸润混合液；

(3)将所述浸润混合液转移到高压反应釜中，进行溶剂热反应；

(4)待溶剂热反应产物冷却后，经过滤得到固体产物，固体产物经清洗和干燥后，得到氧化钴/塑料衍生多孔层碳复合电极材料。其中，清洗过程可用水清洗，或者用乙醇与水交替清洗2～3次。