三维介孔碳‑硅酸钴、制备方法及其应用技术

三维介孔碳‑硅酸钴、制备方法及其应用，属于超级电容器材料制备技术领域，将枯竹叶洗净、剪碎，在惰性气氛下煅烧，得到黑色粉末；将黑色粉末分散于浓度盐酸水溶液中，离心后，取固相干燥，得到碳‑二氧化硅粉末；再将碳‑二氧化硅粉末、钴盐和蒸馏水混合进行水热反应得到固体样品；将固体样品用去离子水和无水乙醇清洗后干燥，得形貌均一、表面堆叠均匀的三维介孔碳‑硅酸钴材料。将聚四氟乙烯、乙炔黑、三维介孔碳‑硅酸钴和异丙醇混合后滴涂至泡沫镍薄片上，干燥后压片，制得具有较高的比电容和长循环寿命的超级电容器电极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器材料制备
，特别涉及三维介孔碳-硅酸钴的制备及应用技术。
技术介绍
随着现代社会对能源需求的高速发展，基于低成本可持续能源的新能源经济正在形成。超级电容器基于其迅速的充放电速率、良好的循环稳定性、高效的功率密度，已经成为现代社会中最有前景的电力设备之一。在电极材料中，生物衍生物获得了越来越多的关注。大部分生物质，作为充足的可再生能源，一般通过两种方式进行利用：直接的方式是燃烧产热，间接的方式是转化为各种生物燃料。近几年，研究人员致力于开发高性能可持续生物质衍生物用于能量存储。生物质衍生物用作超级电容器电极材料，具有轻便灵活且耐用的特点。该类材料的易加工、可塑性和环保性使其适用于多个领域，尤其在便携能源存储设备和航空航天工业方面不可或缺。而碳基材料有良好的流动性、规则的形态和优良的导电性。从之前的研究来看，足够的空隙大小对于提高电解质离子的筛分效果和电容有重要的作用。硅在半导体工业、冶金和硅树脂的合成中有广泛应用。硅酸盐氢氧化物作为一种介孔材料，由于它们的分层结构和特殊性能，已经被广泛研究。在以往的研究中，已经用芦苇叶成功地合成了三维介孔硅酸镍钴结构作为原生硅电化学超级电容器材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维介孔碳-硅酸钴。本专利技术提出的三维介孔碳-硅酸钴结构特点是：在具有生物质孔洞的三维介孔碳表面堆叠有硅酸钴纳米片，在所述生物质孔洞内分布硅酸钴纳米片。经试验证明，以上材料可以应用于制备超级电容器电极，具有较高的比电容和长循环寿命，是理想的超级电容器电极材料。本专利技术的第二个目的还提出具有以上特性的三维介孔碳-硅酸钴的制备方法。制备方法包括如下步骤：1）将枯竹叶洗净、剪碎，在惰性气氛下置于400～800℃温度条件下煅烧，得到黑色粉末；2）将黑色粉末分散于浓度盐酸水溶液中，离心后，取固相干燥，得到碳-二氧化硅粉末；3）将碳-二氧化硅粉末、钴盐和蒸馏水混合进行水热反应，反应结束后冷却、离心，得到固体样品；4）将固体样品用去离子水和无水乙醇清洗后干燥，得三维介孔碳-硅酸钴。本专利技术步骤1）工艺取得的黑色粉末实为竹叶原本掺杂二氧化硅的碳骨架，将其分散于一定浓度盐酸后，通过盐酸去除材料中其他金属离子杂质，获得碳-二氧化硅粉末。本专利技术采用简便的方法可以快速合成，无需其他模板试剂或者表面活性剂，即可得到形貌均一、表面堆叠均匀的三维介孔碳-硅酸钴材料。进一步地，本专利技术用于分散黑色粉末的所述浓度盐酸水溶液中盐酸的浓度为0.5～2mol/L。此浓度的盐酸水溶液可以在较短的时间内有效除去黑色粉末中掺杂的金属杂质，并且不会破坏其原有的生物质骨架。如果浓度过低，则无法将其中金属杂质除尽；如果浓度过高，则会使原有的碳骨架碳化，破坏其结构。所述碳-二氧化硅粉末和钴盐的混合质量比为1∶5～10。该混合比可有效提高钴盐颗粒堆叠在碳-二氧化硅骨架上的均匀性，实现材料比表面积的最大化，使材料表现出更好的比电容。若碳-二氧化硅粉末过量，会使得钴盐在碳骨架上的堆叠过于分散不均一；若钴盐过量，会导致晶体颗粒团簇。更优选的所述碳-二氧化硅粉末和钴盐的混合质量比为1∶7。所述水热反应的温度条件为150～200℃，反应时间为12～36小时。该反应温度下晶粒分布均匀，且颗粒间不形成团簇；该反应时间下晶体发育完整，晶体大小适中。在该水热条件下，实验重复性和可控性最好。温度过低会导致晶粒难以生长，温度过高可能破坏晶体结构。水热时间过短会导致晶体颗粒过小，时间过长则会引起晶体缺陷。另外，本专利技术还提出上述三维介孔碳-硅酸钴在超级电容器中的应用。将聚四氟乙烯、乙炔黑和三维介孔碳-硅酸钴以异丙醇为溶剂混合后滴涂至泡沫镍薄片上，干燥后压片，制得超级电容器电极。由于材料三维介孔碳-硅酸钴的独特三维介孔特殊结构，具有较高的比电容和长循环寿命，所以制成的超级电容器电极在3.0MKOH水溶液，1.0Ag-1电流密度下比电容约为1600Fg-1。进一步地，所述聚四氟乙烯、乙炔黑和三维介孔碳-硅酸钴的混合质量比为1∶2～6∶5～10。聚四氟乙烯性能稳定，可互相交联形成空间网格结构，乙炔黑用于增强材料的导电性能。在该质量配比下制得的电极材料，有最高的比电容和最好的电化学稳定性。若聚四氟乙烯过多，会影响导电性能。更优选的所述聚四氟乙烯、乙炔黑和三维介孔碳-硅酸钴的混合质量比为1∶3∶16。附图说明图1为本专利技术方法制备的三维介孔碳-硅酸钴材料的X射线衍射图。图2为本专利技术方法制备的碳-二氧化硅材料的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术方法制备的三维介孔碳-硅酸钴材料介孔结构的扫描电子显微镜图。图4为本专利技术方法制备的三维介孔碳-硅酸钴材料的电流密度-比电容曲线图。具体实施方式一、三维介孔碳-硅酸钴的制备工艺。（1）将枯竹叶洗净、剪碎，在惰性气氛下，在约400～800℃温度条件下煅烧100～150分钟，得到黑色粉末。（2）将2.0g黑色粉末分散到20mL浓度为0.5～2mol/L的盐酸水溶液中，再离心、干燥，得到1.2g碳-二氧化硅粉末。（3）称取0.04g碳-二氧化硅粉末和0.28g钴盐，加入20mL蒸馏水，在50mL聚四氟乙烯高压釜中，在150℃～200℃条件下进行水热反应12～36小时，冷却、离心，得到0.30g固体样品。（4）将固体样品用去离子水和无水乙醇清洗后自然干燥，得0.24g三维介孔碳-硅酸钴。（5）图1显示了得到的三维介孔碳-硅酸钴的X射线衍射图谱。根据对比XRD标准卡片（JCPDSNo-21-0872），此产物XRD图谱中的特征峰与标准峰一致，说明水热产物为硅酸钴材料。图2显示了得到的碳-二氧化硅的结构，由图可见碳-二氧化硅表面光滑，呈多层次褶皱状。图3显示了得到的三维介孔碳骨架的微孔结构。由图可见其表面粗糙，表明有大量的超薄硅酸钴纳米片生长在三维介孔碳表面，在其生物质孔洞中也有分布。由图2、3可见，经过步骤（3）后，原先碳-二氧化硅的光滑表面上均匀堆叠生长了薄层硅酸钴纳米片，以致碳-二氧化表面变得粗糙，且碳-二氧化硅材料保留了生物质孔洞，在生物质孔洞中也分布了硅酸钴纳米片。二、制备超级电容器的电极：取聚四氟乙烯2.5mg、乙炔黑7.5mg和制备的三维介孔碳-硅酸钴40mg，以4±0.5mL异丙醇为溶剂混合均匀后滴涂至泡沫镍薄片上，干燥后压片，制得超级电容器的电极。三、超级电容器的电极的电化学性能测试。以汞-氯化汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极，利用三电极体系测定超级电容器的电极的电化学性能，测定时电解质为一定浓度的KOH溶液。图4显示了本专利技术三维介孔碳-硅酸钴作为超级电容器的电极材料，在不同电流密度下的比电容。由图4可见本专利技术产品在1～12Ag-1电流密度下根据其放电曲线计算出的单位质量比电容值，证明本专利技术产品是一种良好的超级电容器电极材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维介孔碳‑硅酸钴，其特征在于：在具有生物质孔洞的三维介孔碳表面堆叠有硅酸钴纳米片，在所述生物质孔洞内分布硅酸钴纳米片。

【技术特征摘要】
1.三维介孔碳-硅酸钴，其特征在于：在具有生物质孔洞的三维介孔碳表面堆叠有硅酸钴纳米片，在所述生物质孔洞内分布硅酸钴纳米片。2.如权利要求1所述的三维介孔碳-硅酸钴的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）将枯竹叶洗净、剪碎，在惰性气氛下置于400～800℃温度条件下煅烧，得到黑色粉末；2）将黑色粉末分散于浓度盐酸水溶液中，离心后，取固相干燥，得到碳-二氧化硅粉末；3）将碳-二氧化硅粉末、钴盐和蒸馏水混合进行水热反应，反应结束后冷却、离心，得到固体样品；4）将固体样品用去离子水和无水乙醇清洗后干燥，得三维介孔碳-硅酸钴。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于用于分散黑色粉末的所述浓度盐酸水溶液中盐酸的浓度为0.5～2mol/L。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞欢，邵瑾莹，李欣冉，魏积蕾，肖潇，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32