[发明专利]一种碳量子点-CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳量子点‑CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料及其制备方法和应用，属于电极材料制备技术领域。该制备方法为两步合成法，首先以柠檬酸钾为碳量子点的碳源，控制柠檬酸钾的用量及水热合成温度和时间等反应条件，通过水热合成法制备碳量子点溶液；然后以碳量子点、无机钴盐和铁氰化钾为反应原料，采用液相共沉淀反应法，制备出分散性好的碳量子点‑CoFe类普鲁士蓝复合材料，其纳米球尺寸大小约为200‑400nm。采用本发明制备出的碳量子点‑CoFe类普鲁士蓝复合材料作为电极材料时，提高了超级电容器的容量，极大地改善了超级电容器快速充放电能力，并具有优异的倍率性能和长循环使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种碳量子点-CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料及其制备方法和应用，属于电极材料制备技术领域。

背景技术

碳量子点是由分散的球状碳颗粒组成尺寸极小(在10nm以下)，在医学成像技术、环境监测、化学分析等许多的领域有较好的应用前景，但是其在超级电容电极材料的应用领域极少被关注。普鲁士蓝原名叫柏林蓝是一种深蓝色的颜料，其结构是由Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)与氰基(-CN-)相互配位作用而构成。在不打破整体晶体结构的情况下，改变其化学组成，亚铁离子和铁离子可以用不同的其他过渡金属来替代产生一系列新的化合物，称为类普鲁士蓝化合物。类普鲁士蓝化合物的品种具有多样性，在油漆、油墨、分子磁性、储氢、电催化等领域均发挥着重要的作用。类普鲁士蓝化合物应用于超级电容电极材料时，电化学性能表现优异，原因是类普鲁士蓝化合物拥有以下优点：①有足够大的三维通道有利于碱金属离子传输和存储；②在充放电循环过程中不会由于碱金属离子的嵌入或脱出产生巨大形变。

然而，电子在类普鲁士蓝化合物的颗粒内部、颗粒与颗粒间传导性较差，导致类普鲁士蓝化合物的倍率性能不佳，限制了其在超级电容器上的应用。专利CN101546650A中通过化学共沉淀法制备超级电容电极材料普鲁士蓝衍生物Co₂[Fe(CN)₆]，其比容量较低、倍率性能不理想。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种碳量子点-CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料及其制备方法和应用，该制备方法是两步合成法(水热合成、溶液共沉淀法)，首先以柠檬酸钾为碳量子点的碳源，无机钴盐和铁氰化钾作为CoFe类普鲁士蓝化合物的原料，控制柠檬酸钾的用量及水热合成温度和时间等反应条件，通过水热合成法制备碳量子点溶液，然后以碳量子点、无机钴盐和铁氰化钾为反应原料，采用液相共沉淀反应法，制备出碳量子点-CoFe类普鲁士蓝复合材料。本发明通过将尺寸极小的碳量子点分散到CoFe类普鲁士蓝的内部以及表面，提高类普鲁士蓝化合物内部和颗粒与颗粒间的电子导电能力；制备的碳量子点-CoFe类普鲁士蓝复合材料具有稳定晶型，且所制备的碳量子点-CoFe类普鲁士蓝复合材料拥有大容量、高倍率性能和长循环寿命。碳量子点-CoFe类普鲁士蓝复合材料在已知研究中从未被合成，本发明的合成工艺过程简单，反应条件温和，产品成本低，适合规模化生产。

本发明解决问题的技术方案是：

一种碳量子点-CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料，碳量子点被分散在尺寸为200-400纳米的Co₃[Fe(CN)₆]₂纳米球的内部以及表面，该复合材料首次被合成并应用于超级电容电极材料。

一种碳量子点-CoFe类普鲁士蓝纳米复合材料的制备方法，采用两步合成法，先进行水热合成、再进行液相共沉淀反应，具体步骤如下：

步骤1、将柠檬酸钾溶于去离子水中配制成柠檬酸钾溶液，转移至水热合成器中进行水热合成，得到碳量子点溶液；

水热合成的温度为180～200℃，时间为3～6h；优选温度200℃，优选时间为5h；所述的柠檬酸钾浓度为0.1～0.3g/mL，优选为0.2g/mL。

步骤2、将无机钴盐溶于步骤1得到的碳量子点溶液中，配制成碳量子点-无机钴盐混合溶液；