一种超级电容器电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种超级电容器电极材料及其制备方法，采用原位煅烧的方法制备了炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合物电极材料，具体步骤如下：将有机金属氧化物，氯化铵和氧化石墨烯混合均匀，在700～900℃惰性气氛下煅烧0.3～6h后，然后冷却到室温，经去离子水洗涤，干燥后得到炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料。所制备的炭包裹的金属氧化物的粒径为1～20nm，比商业上两步合成法得到的粒径要小，且制备工艺简单且可行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料领域，尤其涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器，又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛，如用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高。金属氧化物由于其理论比电容高，在超级电容器电极材料备受大家关注，但由于其充放电循环过程中电极材料结构坍塌和粒子团聚必然缩短循环寿命。通常采用炭包覆或金属氧化物制备成球形、纳米片或三维多孔结构等方法解决电极材料结构坍塌和粒子团聚等问题。最常见的方法是采用炭包裹，该方法一般分为两步合成法，先制备金属氧化物然后再与炭源一起煅烧，此方法得到的金属氧化物的粒径平均为30-80nm，而且工艺复杂。在电化学反应过程中，颗粒的粒径过大难于与电解液充分接触，而且更容易发生结构坍塌，造成比容量迅速递减，缩短了循环寿命。因此，亟待开发一种简单有效的制备方法以解决电极材料结构坍塌和粒子团聚问题。
技术实现思路
本专利技术的目在于克服现有的金属氧化物在充放电循环过程中易于粒子团聚和坍塌等问题，提供一种超级电容器电极材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种上述方法制备的超级电容器电极材料，该材料是金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合物，提高了电极材料的比容量。本专利技术的再一目的在于提供一种上述材料在超级电容器中的应用。本专利技术上述目的是通过以下技术方案予以实现：一种超级电容器电极材料的制备方法，主要包括以下步骤：S1.称取有机金属氧化物，氯化铵和氧化石墨烯均匀混合，得到混合物A；S2.将混合物A在700～900℃惰性气体下煅烧0.3～6h后，然后冷却到室温，经去离子水洗涤，干燥后得到炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料。优选地，步骤S1中所述有机金属氧化物，氯化铵与氧化石墨烯的质量比为(1～10)：(1～10)：(0.01～1)。优选地，步骤S1中有机金属氧化物为二茂铁或环戊二烯三羰基锰。优选地，步骤S2中所述金属氧化物为四氧化三铁或二氧化锰。优选地，步骤S2中所述炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片的厚度为1～50nm。优选地，步骤S2中所述炭包裹的金属氧化物的粒径为1～20nm。优选地，步骤S2中所述干燥的温度为80～100℃，所述干燥的时间为5～24h。优选地，步骤S2中所述惰性气体为氮气或氩气。一种上述方法制备的炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料及其在超级电容器中的应用也在本专利技术的保护范围内。本专利技术纳米片形成原因在于有机金属在高温时处于熔融状态，此时氯化氨分解为氨气和氯化氢气体，在气体的带动下对熔融状态的二茂铁或者环戊二烯三羰基锰的分子层具有张力作用，使分子层剥离，同时氧化石墨烯嵌入分子层之间，分子层上的原子铁或者原子锰将会氧化成四氧化三铁和二氧化锰，因此形成了薄的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用原位煅烧法制备了炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合超级电容器电极材料，不需要添加额外的炭源来包裹已制备的金属氧化物纳米粒子，解决了金属氧化物纳米粒子的团聚和结构坍塌问题，所制备的炭包裹的金属氧化物的粒径为1～20nm，比商业上两步合成法得到的粒径要小，且制备工艺简单且可行。此外，在高温时氯化铵分解为氯化氢和氨气，起到张力的作用，可剥离有机金属氧化物，如二茂铁或环戊二烯三羰基锰的分子层，得到超薄的有机金属氧化物纳米层，可提高离子的传输速度。附图说明图1为制备炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的流程示意图。图2为制备炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片或炭包裹的二氧化锰/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的流程示意图。图3为实施例1制备的炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的SEM图。图4为实施例1制备的炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的TEM图。图5为实施例1中炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的XRD图。图6为实施例2制备的炭包裹的二氧化锰/氧化石墨烯纳米片复合物电极材料的SEM图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1本专利技术采用原位煅烧的方法，如图1所示的制备炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的流程示意图。分别称取有机金属氧化物，氯化铵和氧化石墨烯混合均匀，然后在700-900℃的惰性气氛下煅烧0.3～6h后，冷却到室温后，去离子水洗涤，干燥后得到炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料。采用原位煅烧的方法，分别称取质量为10g的二茂铁，10g氯化铵和0.05g石墨烯混合均匀，然后在900℃氮气氛下煅烧3h后，冷却到室温后，去离子水洗涤后，在100℃的温度下干燥24h，得到炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料，如图2所示。图3为实施例1制备的炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的SEM图。从图中可以看出，该纳米片厚度为3～50nm，在高温煅烧后形成了炭包裹的四氧化三铁；氯化铵在高温熔融分解成氨气和氯化氢，将熔融的二茂铁剥离成纳米片，同时氧化石墨烯嵌入到被剥离的二茂铁分子层之间。图4为实施例1制备的炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的TEM图。从图中可以看出，四氧化三铁分布在炭层，粒径大约为10nm。图5为实施例1中制备的炭包裹的四氧化三铁/氧化石墨烯纳米片复合电极材料的XRD图。峰的位置为29°，35.39°，43°，53.35°，57°和62.88°，分别对应(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(400)的晶面可知该金属氧化物是四氧化三铁而不是氧化铁。实施例2采用原位煅烧的方法，分别称取质量为10g的三羰基环戊二烯锰，10g氯化铵和0.05g石墨烯混合均匀，然后在900℃氮气氛下煅烧3h后，冷却到室温后，去离子水洗涤后，在100℃的温度下干燥24h得到炭包裹的二氧化锰/氧化石墨烯纳米片复合电极材料，如图2所示。图6为实施例2制备的炭包裹的二氧化锰/氧化石墨烯纳米片复合物电极材料的SEM图。从图中可以看出，该纳米片厚度为3～50nm，在高温煅烧后形成了炭包裹的二氧化锰纳米颗粒，形成的原因主要是氯化铵在高温熔融分解成氨气和氯化氢，将熔融的三羰基环戊二烯锰剥离为超薄的纳米片，同时氧化石墨烯嵌入到被剥离的三羰基环戊二烯锰分子层之间。前期实验已得出GO/Fe3O4/C首次比容量达到500Fg-1，第二圈和第三圈分别为300Fg-1和250Fg-1，结果表明，本专利技术得到的电极材料具有较高的比容量。上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：S1.称取有机金属氧化物，氯化铵和氧化石墨烯均匀混合，得到混合物A；S2.将混合物A在700～900℃惰性气体下煅烧0.3～6h后，然后冷却到室温，经去离子水洗涤，干燥后得到炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：S1.称取有机金属氧化物，氯化铵和氧化石墨烯均匀混合，得到混合物A；S2.将混合物A在700～900℃惰性气体下煅烧0.3～6h后，然后冷却到室温，经去离子水洗涤，干燥后得到炭包裹的金属氧化物/氧化石墨烯纳米片复合电极材料。2.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述有机金属氧化物，氯化铵与氧化石墨烯的质量比为(1～10)：(1～10)：(0.01～1)。3.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中有机金属氧化物为二茂铁或环戊二烯三羰基锰。4.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述金属氧化物为四氧化三铁或二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成飞，肖昌任，李争辉，杨晓青，张国庆，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44