超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米材料技术领域，特别是涉及一种超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；(2)加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；(3)采用喷雾干燥法对溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；(4)将氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料。本发明专利技术的制备方法过程简单，适合规模化生产。本发明专利技术不引入其他任何杂质，安全环保。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料
，特别涉及一种超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源逐渐减少，并伴随着环境问题日益突出。能源危机和环境污染凸现出来，成为阻碍经济和社会发展的主要问题，使得越来越多的国家把目光投向新能源领域。超级电容器作为一种新型储能装置，正在逐歩成为一种实用化的低碳经济储能产品。超级电容器也称电化学电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能器件，具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能如：功率密度高、循环寿命长、充电速度快、能够瞬时大电流放电、绿色无污染，具有很广阔的应用前景。影响超级电容器性能最核心因素是电极材料。石墨烯由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维材料，具有优异的电学、力学、热学性能，石墨烯在超级电容器中的出色表现主要是由于石墨烯具有高的比表面积，如果表面有效释放，将获得远高于多孔炭的比电容其良好的导电性和开放的表面，有利于电极材料电解质双电层界面的形成，保证材料表面的有效利用使其具有很好的储能功率特性。由于金属氧化物在电极/溶液界面反应所产生的法拉第准电容要远大于碳材料的双电层电容，已引起广泛的研究。Co3O4因为优异的比容量，可以满足超级电容器的储能要求，已经成为一种具有发展潜力的超级电容器电极材料。利用石墨烯和Co3O4的协同作用，可以实现超级电容器的高比容量。He等[He G.Y.,Li J.H.,Chen H.Q.,et al.Hydrothermal preparation of Co3O4@graphenenanocomposite forsupercapacitorwith enhanced capacitive performance[J].Materials Letters,2012,82,61-63.]首先通过NMP剥离石墨得到石墨烯，加入硝酸钴后水热反应得到石墨烯和Co3O4的复合材料，复合材料在3A/g的电流密度下，比容量达到415F/g。Xiang等[Xiang C.C.,Li M.,Zhi M.J.,et al.A reduced graphene oxide/Co3O4composite for supercapacitor electrode[J].Journal of Power Sources,2013,226,65-70.]通过氧化石墨烯和醋酸钴超声混合后水热反应制得石墨烯和Co3O4的复合材料，该材料制备超级电容器在2A/g的电流密度下，比容量达到416F/g。但是这些方法不适合规模化生产，工艺比较复杂，而且水热法制备的大小不容易控制。有些方法还会使用有毒的还原剂，既不环保也不安全，后处理麻烦。因此有必要找到一种简单、可规模化、稳定制备石墨烯/Co3O4纳米颗粒的方法。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的不足，提供了一种超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，将简单的喷雾干燥法应用到制备石墨烯/Co3O4纳米复合材料中，不引入其他任何杂质，适合工业化大规模生产，安全环保。解决上述技术问题的技术方案如下：超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；(2)向步骤(1)的氧化石墨烯水溶液中加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；(3)采用喷雾干燥法对步骤(2)得到的混合物溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料在氮气保护下高温还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料。步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1～20mg/mL。步骤(1)中的氧化石墨烯分散后的厚度为0.7～2nm，片层大小为200nm～10μm。步骤(1)和步骤(2)中的搅拌为超声搅拌。步骤(2)中的Co3O4纳米粉末的尺寸为1～100nm。优选地，Co3O4纳米粉末的尺寸为5～50nm。步骤(2)中Co3O4纳米粉末分散到氧化石墨烯水溶液中的浓度为0.01～10mg/mL。步骤(3)中的喷雾干燥法采用的喷雾干燥设备为离心喷雾干燥器、压力喷雾干燥器或气流喷雾干燥器中的任意一种。步骤(3)中的喷雾干燥法采用的喷雾干燥温度为100～250℃。步骤(4)中的还原的温度为200～800℃，还原的时间为1～30min。本专利技术的有益效果是：本专利技术的制备方法过程简单，因为采用喷雾干燥法可以直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序，适合规模化生产。本专利技术不引入其他任何杂质，安全环保。使用本专利技术制备的石墨烯/Co3O4纳米复合材料制备的超级电容器具有比容量大、循环稳定性高的优点，可构建一种新型、高效、实用的能量存储装置。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1：超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1mg/mL，搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；氧化石墨烯分散后的厚度为0.7nm，片层大小为200nm。(2)向步骤(1)的氧化石墨烯水溶液中加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；Co3O4纳米粉末的尺寸为50nm，Co3O4纳米粉末分散到氧化石墨烯水溶液中的浓度为0.01mg/mL。(3)采用喷雾干燥法对步骤(2)得到的混合物溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；采用的喷雾干燥设备为离心喷雾干燥器，喷雾干燥温度为100℃。(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料在氮气保护下高温还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料，还原的温度为200℃，还原的时间为1min。按照实施例1的方法制备的石墨烯/Co3O4纳米复合材料所制备的超级电容器在6mol/L KOH电解质溶液下，电流密度为3A/g，其比容量是175F/g。而且在前100次循环实验时其比容量几乎不发生变化，1000次循环实验后期比容量仍然能达到原来的94.9％。实施例2：超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，氧化石墨烯水溶液的浓度为20mg/mL，超声搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；氧化石墨烯分散后的厚度为2nm，片层大小为10μm。(2)向步骤(1)所述的氧化石墨烯水溶液中加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；Co3O4纳米粉末的尺寸为1nm，Co3O4纳米粉末分散到氧化石墨烯水溶液中的浓度为10mg/mL。(3)采用喷雾干燥法对步骤(2)得到的混合物溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；采用的喷雾干燥设备为压力喷雾干燥器，喷雾干燥温度为250℃。(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料在氮气保护下高温还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料，还原的温度为800℃，还原的时间为30min。按照实施例2的方法制备的石墨烯/Co3O4纳米复合材料所制备的超级电容器在6mol/L KOH电解质溶液下，电流密度为3A/g，其比容量是380F本文档来自技高网...

【技术保护点】
超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；(2)向步骤(1)所述的氧化石墨烯水溶液中加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；(3)采用喷雾干燥法对步骤(2)得到的混合物溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料在氮气保护下高温还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯粉体加入去离子水中，搅拌分散2小时得氧化石墨烯水溶液；(2)向步骤(1)所述的氧化石墨烯水溶液中加入Co3O4纳米粉末，搅拌均匀；(3)采用喷雾干燥法对步骤(2)得到的混合物溶液进行干燥，得到氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料；(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯包裹Co3O4的复合材料在氮气保护下高温还原得到石墨烯/Co3O4纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1～20mg/mL。3.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氧化石墨烯分散后的厚度为0.7～2nm，片层大小为200nm～10μm。4.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨烯/Co3O4纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中所述的搅拌为超声搅拌。5.根据权利要求1所述的超级电容器用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李修兵，蒋国良，李韦韦，莫剑臣，
申请(专利权)人：江苏国星电器有限公司，常州烯材碳材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32