[发明专利]一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔四氧化三钴纳米片，采用植物秸秆作为碳源，原料来源广泛且成本低廉；通过浸渍和二次焙烧的方法制备多孔四氧化三钴纳米片，制备所得多孔四氧化三钴纳米片由结晶良好的Co₃O₄纳米晶组成，Co₃O₄纳米晶的粒径在5‑20nm，纳米片具有较大的比表面积，丰富的孔隙结构。用于超级电容器中表现出高容量、长寿命的优点。

技术领域

本发明属于无机纳米材料合成及应用领域，具体涉及一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，能源短缺和环境污染日益成为世界关注的焦点。为了应对日益严重的能源环境危机，人类亟待开发新型清洁可再生能源和高效储能设备。超级电容器作为一种绿色环保的储能装置，具有高的功率密度和稳定的循环性能，从而备受青睐。对于电化学储能设备而言，电极是核心部件，电极材料决定着器件的性能。因此，设计开发高性能电极材料具有重大的意义。四氧化三钴(Co₃O₄)是一种非常具有前景的超级电容器电极材料，具有高容量、低成本、无毒性以及化学稳定等优点，因此引起研究者的广泛关注。然而，低下的离子/电子电导率以及充放电过程中巨大的体积膨胀严重限制了Co₃O₄电极材料更深层次的开发与应用。为解决上述问题，研究者们主要通过纳米化、结构设计、与导电材料相复合等方法来改善电极材料的电化学性能。

近年来，大量不同形貌的Co₃O₄纳米材料被研究并制备，例如：纳米晶、纳米棒、纳米管、纳米片、纳米空心球、花状结构、分级结构等。其中，二维纳米片以其独特的结构特征引起了科学家们的高度关注。二维材料是具有高纵横比的纳米片状结构。因此，二维材料具有超大的比表面积，能够与电解液充分接触，提供大量的反应活性位点，从而改善反应过程，提高电化学性能。二维材料的制备方法主要分为两种，即“自上而下”的剥离法和“自下而上”的直接生长法。剥离法适用于体相是三维层状结构的材料，通过层层剥离得到二维片层。直接生长法是在一定反应条件下，前驱体通过化学反应直接生长为二维片层结构。但是，通过这两种方法都很难制备Co₃O₄纳米片，主要是因为Co₃O₄晶体结构不是层状结构。目前，合成Co₃O₄纳米片的方法大部分是通过水热法或者溶剂热法制备。如中国专利一种介孔四氧化三钴纳米片的制备及剥离(公布号：CN105198007A，申请日期：2015-09-08)，该方法首先利用溶剂热法得到含钴的层状前驱体，再通过焙烧得到介孔Co₃O₄纳米片，最后利用超声和震荡剥离得到单片层的四氧化三钴纳米片。此外还有文献报道在水热条件下利用硝酸钴和尿素为前驱体，聚乙二醇辛基苯基醚为表面活性剂制备多层钴前驱体，再通过空气中焙烧得到四氧化三钴纳米片。以上报道的这些方法或需要昂贵的原料或合成过程复杂，这些都限制了四氧化三钴纳米片的规模化应用。

因此，发展一种操作简单、成本低廉的方法制备多孔四氧化三钴纳米片具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法和应用，该方法工艺简单，成本低廉，重现性好，易于工业化生产；制备的多孔四氧化三钴纳米片由结晶良好的Co₃O₄纳米晶(5-20nm)组成，具有较大的比表面积，丰富的孔隙结构，用于超级电容器电极材料展现出优异的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)以植物秸秆做碳源，除去秸秆外表皮，将秸秆内瓤粉碎为颗粒，得秸秆内瓤颗粒；