[发明专利]一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法和应用，天然杉木具有垂直孔道的多孔结构，有利于离子电子的传输，采用真空辅助浸渍的方法灌入氧化石墨烯气凝胶，形成多级孔道结构，提高比表面积。并且，本发明在石墨烯@杉木表面负载容量高的钴酸镍，并对其负载量进行优化，能够制备出具有高面电容、良好倍率性能和循环稳定性能的钴酸镍@石墨烯@杉木复合多级结构。

技术领域

本发明属于碳材料储能以及新材料技术领域，具体涉及一种多级结构钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法和使用该电极组装的超级电容器。

背景技术

随着煤、石油、天然气等不可再生化石燃料的消耗，以及其直接使用所带来的越来越严重的环境污染问题，能源的储存和转换的问题成为未来人类发展所面临的严峻挑战和重大难题。超级电容器，作为有效的能源储存和转换装置，具有功率密度高、循环寿命长等优势，但往往其能量密度和单位比容量低是其主要短板，因此，制备新材料和合理结构的电极是解决这一问题的关键。

到目前为止，已经有很多关于制备新型电极材料来提高超级电容器性能的报道，但相比之下，很少有人将关注点放到电极材料的结构设计中。电极材料结构的设计，对于活性物质发挥作用，电子和离子进行高效传输发挥着不可忽视的作用。天然杉木不仅是丰富、可再生、价格低廉、无毒的天然生物材料，碳化后仍能保持垂直孔道结构，有利于离子电子传输。石墨烯以其优异的电学、热学、力学性能和化学稳定性，在能源储存领域得到了广泛的使用，尤其是三维石墨烯更是引起了科学家们的广泛关注，这是由于三维石墨烯具有低表观密度、完备连续的三维传导结构、空隙发达的多孔结构，同时，化学还原法制备的石墨烯因其表面具有大量的含氧官能团，也可以提供给比容量。钴酸镍具有较高比容量，在石墨烯@杉木基体上再负载钴酸镍纳米片，不仅提高比表面积，而且能进一步提升电极容量，得到具有良好电化学性能的超级电容器。

发明内容

针对现有的技术上的不足或者研究内容的不完善，本发明的目的在于提供一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法，并应用于超级电容器。本发明一方面提供一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极，采用具有垂直孔道结构的杉木作为基体，然后将氧化石墨烯以气凝胶的方式均匀的分散在木头的孔道中，最后在其表面负载钴酸镍，得到具有多级结构的钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极。该电极组装的超级电容器，具有高面电容、良好的倍率性能和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明另一个方面提供一种多级结构的钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极的制备方法，采用真空辅助浸渍的方法向具有垂直孔道结构的天然杉木中灌入氧化石墨烯气凝胶，再进行碳化，形成多级孔道结构，并负载容量高的钴酸镍纳米片得到。

作为本发明的进一步优选，所述的制备方法包括以下步骤：

（1）将天然杉木进行切片处理；

（2）通过Hummer法制得的石墨烯；

（3）采用真空辅助浸渍的方法向具有垂直孔道结构的天然杉木中灌入氧化石墨烯气凝胶，制备石墨烯@杉木；

（4）对石墨烯@杉木进行碳化，形成多级孔道结构；

（5）在石墨烯@杉木上通过水热合成法在其表面原位生长上钴酸镍纳米片得到钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极。

作为本发明的进一步优选，步骤（1）中，将天然杉木进行切片处理，垂直于杉木生长的方向切成薄片形状，并于烘箱中烘干得到。