[发明专利]三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域，提供一种以三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列超级电容器电极材料及其制备方法和应用，分别以泡沫镍和甲烷为基底和碳源，通过化学气相沉积法在泡沫镍表面负载石墨烯，盐酸刻蚀镍得到石墨烯泡沫；以石墨烯泡沫为基底，硝酸钴，钼酸钠和水配制得到前驱体溶液，将石墨烯泡沫与前驱体溶液混合进行水热反应即得3D‑graphene@CoMoO₄纳米片阵列复合材料。本发明制备方法简单，成本低；CoMoO₄纳米片通过水热直接生长在石墨烯泡沫基底上，有效地避免了粘结剂的使用；通过控制前驱体溶液的浓度控制材料的形貌；制得的复合电极材料具有高的比电容和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域，具体涉及一种以三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列超级电容器电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，我们对能源的需求量变得越来越大，全球能源消耗迅速增长，伴随而来的是各种各样的气候变化问题，开发一种可持续可再生的能源迫在眉睫。

近年来研究人员开发了大量基于电化学存储的能量存储装置，如电化学超级电容器和电化学电池。超级电容器因为具有快速充放电速率、功率密度高以及循环寿命长等优点而备受广大学者的关注。

然而较低的能量密度限制了超级电容器在实际生活中的应用，因此广大研究人员试图通过开发新型的电极材料来提高超级电容器的能量密度。其中，由于赝电容器可以发生快速可逆的氧化还原反应，从而可以提供更高的比电容和更大的能量密度，但是赝电容器的循环寿命往往不及双电层电容器。

近年来，具有优良电容特性的过渡金属氧化物及复合过渡金属氧化物作为赝电容器的电极材料得到了广泛研究。另外，为了增强赝电容器的循环寿命，研究者们还将过渡金属氧化物与石墨烯及还原氧化石墨烯等碳材料复合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列超级电容器电极材料及其制备方法和应用，该材料为三维石墨烯泡沫@钼酸钴（即3D-graphene@CoMoO₄）纳米片阵列复合材料。其制备方法简单，成本低，且制得的3D-graphene@CoMoO₄纳米片阵列复合材料具有高的比电容和良好的循环稳定性，可应用于超级电容器电极材料，具有很好的应用前景。

为了达成上述目的，本发明由如下技术方案实现的：一种以三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列超级电容器电极材料，分别以泡沫镍和甲烷为基底和碳源，通过化学气相沉积法在泡沫镍表面负载石墨烯，盐酸刻蚀镍得到石墨烯泡沫；以石墨烯泡沫为基底，硝酸钴，钼酸钠和水配制得到前驱体溶液，将石墨烯泡沫与前驱体溶液混合进行水热反应即得3D-graphene@CoMoO₄纳米片阵列复合材料。

制备所述的以三维石墨烯泡沫为基底的钼酸钴纳米片阵列超级电容器电极材料的方法，具体步骤如下：

（1）制备三维石墨烯泡沫：用镍泡沫作为三维支架模板和催化剂，通过化学气相沉积合成三维石墨烯泡沫：将泡沫镍放入水平石英管中，并在Ar和H₂下于18～22 min的时间内加热到800～1200℃，然后退火4～6 min，清洗泡沫表面并消除表面氧化层；然后在800～1200℃的温度下将CH₄引入石英管中4～6 min合成石墨烯；生长后，将石英管在降温速率5～10℃/min下迅速冷却至室温；将样品浸泡在盐酸中除去镍模板，取出后干燥，即得三维石墨烯泡沫；

（2）制备前驱体溶液：在恒定磁力搅拌下将六水合硝酸钴和二水合钼酸钠溶解于去离子水中得到前驱体溶液；