[发明专利]一种CoO掺杂的三维石墨烯以及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种CoO掺杂的三维石墨烯，由固化柿子单宁吸附了Co离子后，再进行高温碳化后，得到，其中CoO纳米颗粒的直径为5‑10nm，采用Co离子作为催化剂及前驱体，一步碳化法制备。其制备方法包括以下步骤：1）固化柿子单宁粉末的制备；2）前驱体的制备；3）三维石墨烯的制备。作为超级电容器电极材料的应用，在0‑0.4V范围内充放电，在放电电流密度为1A/g时，比电容可以达到1000‑1200F/g。本发明采用一步碳化法，工艺简单；CoO纳米粒子和三维石墨烯同时生成，CoO纳米粒子高度分散在石墨烯载体上，阻止了其团聚，提高了材料的超级电容性能，在超级电容器材料领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及三维石墨烯复合材料的制备技术领域，具体涉及一种CoO掺杂的三维石墨烯制备方法及应用。

背景技术

石墨烯是近年来备受关注的碳的二维材料，具有很多优异特性，如高导电性、高比表面积、高导热性和优异的机械性能，因此在很多领域都有很好的应用前景。石墨烯经过特定处理可以形成三维石墨烯的机构，表现出比单纯的石墨烯材料更优异的性能。它们都拥有高比表面积和孔隙率，低密度，高导电率等共同的特性。但三维石墨烯在超级电容器的领域的应用仍然很少，原因主要是由于碳材料只能提供双电层电容，而不能提供具有高比电容的赝电容，因此有必要对三维石墨烯进行掺杂。三维石墨烯的掺杂存在技术上的难题，主要是由于三维石墨烯在结构上本身不稳定的，很容易坍塌。而且制备方法复杂，耗时长，而且成本较高，而且要先制备石墨烯后，才能进一步获得三维石墨烯。

发明内容

本发明的目的是提供一种CoO掺杂的三维石墨烯以及制备方法和应用。

利用吸附了Co离子的固化柿子单宁为前驱体，在高温下进行碳化时，Co的存在催化了这一反应，同时生成了CoO，同时以石墨烯为载体，阻止了CoO的团聚，提高CoO的分散性，得到一种CoO掺杂的三维石墨烯复合材料。

实现无需在先制备石墨烯的条件下，直接得到CoO掺杂的三维石墨烯材料，有效提高复合材料的比电容。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种CoO掺杂的三维石墨烯，由固化柿子单宁吸附了Co离子后，再进行高温碳化后，得到CoO掺杂的三维石墨烯复合材料，其中CoO纳米颗粒的直径为5-10 nm，采用Co离子作为催化剂及前驱体，一步碳化法制备。

CoO掺杂的三维石墨烯的制备方法包括以下步骤：

步骤1）固化柿子单宁粉末的制备，按柿子单宁与壳聚糖的质量比为1:1-3，称取柿子单宁与壳聚糖溶于入水中，搅拌均匀反应1-2 h后，将产物洗涤、过滤，然后以戊二醛与柿子单宁质量比为1:1-5将戊二醛溶液逐滴加入到产物中，搅拌均匀反应1-2 h后，再调节pH到6-8，在60-90 ℃下水浴反应2-3h，然后过滤、烘干、粉碎、研磨，得到固化柿子单宁粉末；

步骤2）前驱体的制备，按固化柿子单宁粉末、Co(NO3)2和水的质量比为1:2:50，将步骤1）的固化柿子单宁粉末加入Co(NO3)2的混合溶液中反应1-2 h后，过滤、洗涤、干燥，得到产物，作为制备三维石墨烯的前驱体；

步骤3）三维石墨烯的制备，将步骤2）得到的前驱体在氮气条件下，以升温速率5℃/min，升温至600-900℃煅烧后保温2-3h，即可得CoO掺杂的三维石墨烯复合材料。

一种CoO掺杂的三维石墨烯作为超级电容器电极材料的应用，在0-0.4V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容可以达到1000-1200 F/g。

本发明所得CoO掺杂的三维石墨烯实验检测，结果如下：

CoO掺杂的三维石墨烯的扫描电镜图表现出三维多孔结构。

CoO掺杂的三维石墨烯透射电镜照片可以看出生成的CoO纳米粒子很好地分散在石墨烯上。