[发明专利]一种钴镍双金属氧化物和石墨烯制备超级电容器电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器材料的制备领域，特别涉及一种钴镍双金属氧化物和石墨烯制备超级电容器电极材料的方法。

技术背景

复合材料可以利用单组分之间的协同作用表现高电化学性能，广泛应用于超级电容器(Energy Environ.Sci.,2015,8:702-730；能源环境科学，2015年8卷：702页)(Nano Energy,2016,19:210-221 ；纳米能源，2016 年19 卷：210页)。

石墨烯，一种具有二维平面单原子层结构的新型碳材料，因为其独特的高比表面积、高导电率、高机械其强度、和良好柔韧性等的特点，在超级电容器领域显示了极大的应用潜力(Nat. Mater.,2011,10:424-428；自然材料，2011年10卷：424页)。目前，很多研究者致力于基于石墨烯的复合材料，尤其是石墨烯与金属氧化物/氢氧化物的复合材料(ACS Appl. Mater. Interfaces,2013,5: 5443-5454；应用材料界面，2013年5卷：5443页) (Nano Energy,2012,1:107-131；纳米能源，2012年1卷：107页)。钴镍双金属氧化物具有价格低廉、电化学活性高和环境友好等特点，其中的Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原电对可同时进行多电子反应,综合了NiO和CoO的优点，比电容高，受到研究者广泛关注(J. Power Sources,2014,248:28-36；能源，2014年248卷：28页)。现阶段关于钴镍双金属氧化物和石墨烯复合材料的制备方法主要包括溶剂热法、水热法、电化学沉积法以及共沉淀法等，所得复合材料比电容较高；但是，这些方法不仅工艺繁琐耗能，还存在结构相的随机分布，反应可控性差，使得制备得到的复合材料分散性差、均匀性差，并且存在团聚的现象，所以两种组分优势互补的协同效应并未充分体现，用作超级电容器电极材料时，倍率性能和循环稳定性差。

为了解决上述制备方法存在的问题，在纳米尺度进行组分的异质组装是一种有效方式。层状双金属氢氧化物是一类二维阴离子型层状化合物，具有类水滑石的片层结构，由带正电荷的层板与层间阴离子有序组装而成,在一定条件下可以剥离成一种带正电且具有各相异性的2D 纳米片。(Science,2013,340:1420；科学，2013年340卷：1420页)。但是目前对于双金属氢氧化物的剥离使用了剥离剂或插层剂，并且只能在有机溶剂中进行，(J. Am. Chem. Soc.,2007,129: 5257-5263；美国化学科学，2007年129卷：5257页) (Electrochim. Acta,2015,152: 117-125；电化学，2015年152卷：117页)。这些剥离剂或插层剂会对材料电化学性能有影响，同时大多有机溶剂昂贵且有毒。因此，使用绿色环保的方式对双金属氢氧化物进行剥离是必要的研究，也是更适于制备高性能电极材料的一种倡导途径。

发明内容

针对上述制备方法存在的问题，本发明提供了一种钴镍双金属氧化物和石墨烯制备超级电容器电极材料的方法，该方法所需设备简便，工序简单，绿色环保，易实现在规模化生产。

本发明在去离子水中对钴镍双金属氢氧化物进行了剥离，并且利用静电作用，将带有负电荷的氧化石墨烯与带有正电荷的钴镍双金属氢氧化物异质组装，实现了二者在纳米尺度上的复合，反应可控，制备所得的层状钴镍氧化物和石墨烯纳米复合材料均匀性好，用于超级电容器电极材料时比电容高、倍率性能好、具有超长循环寿命，应用前景广阔。

本发明的技术方案是：一种钴镍双金属氧化物和石墨烯制备超级电容器电极材料的方法，包括以下步骤：

（1）采用共沉淀法，在含有钴盐和镍盐的水溶液中，加入氨水进行反应，调节溶液pH至碱性，反应1-2小时，得到钴镍双金属氢氧化物,之后进行过滤、洗涤至中性，将钴镍双金属氢氧化物在去离子水超声，得到浓度为0.2-5 mg/mL的钴镍双金属氢氧化物纳米片分散液；

（2）将氧化石墨烯水性分散液加入搅拌状态中的钴镍双金属氢氧化物纳米片分散液中，持续搅拌1-4小时，使二者异质组装，对所得溶液进行过滤、干燥，得到钴镍双金属氢氧化物和氧化石墨烯复合前驱体；其中，钴镍双金属氢氧化物与氧化石墨烯的质量比为4-40:1；

（3）将上述的钴镍双金属氢氧化物和氧化石墨烯复合前驱体在氩气气氛下，升温至250-400 ℃，保温2-6小时后，降至室温，得到超级电容器电极材料。