[发明专利]一种Co3O4/碳纳米管的制备方法与应用

说明书

本发明涉及纳米复合材料技术领域，特别涉及一种Co₃O₄/碳纳米管的制备方法与应用。本发明的制备方法，包括以下步骤：(1)可溶性钴盐与表面活性剂加水配制为混合液A；(2)钴氰化物加水配制为混合液B；(3)将混合液A与混合液B混合均匀、静置分层，去掉上层清液，用水和醇对下层溶液进行多次清洗，收集固体；(4)将固体干燥，得到钴基类普鲁士蓝粉末；(5)将钴基类普鲁士蓝粉末碳化，得到Co/碳粉末；(6)将Co/碳粉末氧化，得到Co₃O₄/碳纳米管。本发明工艺简单，成本低，形貌结构可控，合成过程安全可靠，得到的Co₃O₄/碳纳米管材料可用作锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料技术领域，特别涉及一种Co₃O₄/碳纳米管的制备方法与应用。

背景技术

随着社会的发展，人们对能源的需求与日俱增，传统的能源如石油\煤炭等都是不可再生资源，也不可避免地带来了严重的环境污染问题。因此，开发诸如太阳能、风能等清洁可再生能源已经成为社会发展的趋势。然而，太阳能与风能受限于天气、地域自然条件等因素，存在能量输出不稳定等问题，需要通过能量存储去解决。

锂离子电池是一种良好的能量存储器件，具有重量轻、体积小、便于携带等优点，大量商用于手机、电动汽车等设备中。目前商业上使用的锂离子电池主要以石墨为负极，但石墨作为负极的理论比容量过低，只有372mAh·g^-1，大大影响了锂离子电池的使用效率。为了解决这一问题，研究人员致力于开发新型高比容量的锂离子电池负极材料，主要集中在过渡金属氧化物、氮掺杂碳化物、碳与金属氧化物的复合材料等几个方面。其中，碳与金属氧化物的复合材料既具有金属氧化物的高比容量，又可在碳的支撑与保护下减轻金属氧化物不稳定的问题，从而提高循环稳定性。

目前，四氧化三钴/碳的复合材料在锂离子电池应用中表现出了较大的潜能，具有较高的比容量和良好的稳定性。Wu等(ACS Nano,2010,4,3187-3194)通过两步法将Co₃O₄纳米颗粒与石墨烯复合，用作锂离子电池的负极材料，表现出较大的比容量与出色的循环稳定性，然而其制备的碳的形貌不是纳米管状，不利于在锂离子电池应用过程中的物质传输。Gu等 (Angew.Chem.,Int.Ed.,2015,54,7060-7064)通过一种纳米浇铸技术制备了Co₃O₄与碳纳米管阵列的复合材料，在锂离子电池应用中表现出较高的性能，然而采用模板法易造成合成流程的复杂，增加合成的难度。Huang等(ACS nano,2015,9,1592-1599)以ZIF-67为四氧化三钴的前驱体，与多壁碳纳米管复合，通过热解，制备得到了多壁碳纳米管与四氧化三钴的复合材料，在锂离子电池应用中表现出较高的比容量和稳定性，然而其以商用碳纳米管为前驱体，而不是原位生长碳纳米管，在热解过程中容易发生粒子团聚，不利于离子传输。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Co₃O₄/碳纳米管的制备方法与应用。本发明以钴基类普鲁士蓝(Co-PBA)为前驱体，通过两步热解，包括碳化和氧化，原位合成 Co₃O₄/碳纳米管纳米复合材料，工艺简单，成本低，形貌结构可控，合成过程安全可靠。得到的材料可用作锂离子电池负极材料。

本发明采用以下技术方案。

一种Co₃O₄/碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)可溶性钴盐与表面活性剂加水配制为混合液A；

(2)钴氰化物加水配制为混合液B；

(3)将混合液A与混合液B混合均匀、静置分层，去掉上层清液，用水和醇对下层溶液进行多次清洗，收集固体；