本發(fā)明屬于高性能功能材料領域，涉及一種石墨烯復合電極材料及其制備方法。

背景技術：

超級電容器不同于傳統(tǒng)的化學電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源器件，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。其突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等。

電極材料是超級電容的核心材料，其性能的發(fā)揮完全取決于所用的電極材料。根據(jù)能量儲存原理，碳材料的雙電層電容和過渡金屬化合物的贗電容構(gòu)成了電容的主要元素，其中碳系列電極材料的儲能密度不高，但是循環(huán)特性和倍率特性優(yōu)異，而過渡金屬化合物往往具有高的電容，但倍率和壽命有待提高。究其原因，碳材料的比表面積和電導率往往比過渡金屬化合物高，而過渡金屬氫氧化物的比電容又高于對應的氧化物，因為氫氧化物往往具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)或形態(tài)，有利于發(fā)揮其高的電化學活性。

石墨烯是碳元素的結(jié)晶體，是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體。由于石墨烯具有特高的表面積對質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導電電極。然而單純石墨烯的儲能密度有待提高，因此將其與贗電容的電極材料原位復合能夠提高其儲能密度的同時，還提高贗電容電極材料的倍率和循環(huán)壽命。具有銅(鈷)孔雀石結(jié)構(gòu)((Cu,Co)₂(CO₃)(OH)₂)的堿式碳酸鈷(Co₂(CO₃)(OH)₂)具有二維片狀形態(tài)，其含有的金屬鈷離子具有優(yōu)異電化學特性，將其原位生長在石墨烯表面，能很大限度上發(fā)揮其電化學活性，提高材料的比電容和儲能密度。因此，本發(fā)明旨在提供一種具備優(yōu)異電化學電容特性的電極材料及其制備方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種石墨烯復合電極材料及其制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種石墨烯復合電極材料，它是以石墨烯和堿式碳酸鈷為主體成分的復合材料，所述堿式碳酸鈷納米片原位生長在石墨烯表面，石墨烯和堿式碳酸鈷的重量配比為7～9:3～1。

進一步地，所述石墨烯由單層石墨烯、多層石墨烯和還原石墨烯中的一種或幾種按任意配比混合組成。

進一步地，所述堿式碳酸鈷的分子式是Co₂(CO₃)(OH)₂。

一種上述的石墨烯復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將石墨烯加熱到200～300℃，保溫干燥1小時以上。將1克干燥的石墨烯加入到1升濃度為3wt％的K₂S₂O₈的水溶液中，超聲波振蕩分散30分鐘以上，過濾出石墨烯，并用水清洗；

(2)將1克步驟1處理的石墨烯加入到500mL水中,超聲波分散30分鐘以上，隨后加入0.00052mol～0.002mol的鈷鹽，室溫下充分攪拌溶解，形成懸濁液；

(3)將六次甲基四胺加入步驟2所配置的懸濁液中，六次甲基四胺與鈷離子的摩爾比為6:1～8:1，在室溫下攪拌溶解均勻后。把懸濁液裝入高壓反應釜，懸濁液在反應釜中的體積填充率為70～85％，密閉反應釜，將其加熱到210～280℃，保溫2小時以上；

(4)將步驟3所得的固體產(chǎn)物過濾，用水清洗，80～180℃度下烘干，即得石墨烯復合電極材料。

進一步地，所述鈷鹽由氯化鈷，硝酸鈷和醋酸鈷的一種或多種按任意配比混合組成。

進一步地，所述堿式碳酸鈷的晶體結(jié)構(gòu)與(Cu,Co)₂(CO₃)(OH)₂一致。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明工藝簡單，生產(chǎn)周期短。

2、本發(fā)明條件溫和，低能耗，重復性優(yōu)良。

3、本發(fā)明復合材料中含石墨烯，電化學電容特性優(yōu)異；產(chǎn)品形態(tài)均勻，純度高。

附圖說明

圖1為實施例1制備的石墨烯復合電極材料的XRD圖譜；

圖2為實施例2制備的石墨烯復合電極材料的XRD圖譜；

圖3為實施例3制備的石墨烯復合電極材料的XRD圖譜。

具體實施方式

實施例1

將還原石墨烯加熱到200℃干燥1小時后。將0.5克干燥的石墨烯加入到0.5升濃度是3wt％K₂S₂O₈的水溶液中，超聲波振蕩分散30分鐘后，過濾，用水清洗，烘干。把0.5g上述石墨烯加入到250mL水中,經(jīng)過30分鐘超聲波分散，隨后在水溶液中加入0.0003mol氯化鈷，室溫下充分攪拌溶解，形成懸濁液，然后將0.002mol六次甲基四胺加入到懸濁液中，在室溫下攪拌溶解均勻。隨后把懸濁液裝入高壓反應釜，懸濁液在反應釜中的體積填充率為70％，密閉反應釜，將其加熱到280℃，保溫2小時。然后過濾出固體產(chǎn)物，用水充分清洗，80℃度下烘干后，即可獲堿式碳酸鈷和石墨烯的復合電極材料。產(chǎn)物的XRD圖譜如圖1所示。所制備產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)與(Cu,Co)₂CO₃(OH)₂一樣，衍射圖案與標準衍射卡片(29-1416)一致，表明所制備產(chǎn)物是堿式碳酸鈷。

實施例2

將單層石墨烯加熱到200℃干燥2小時后。將0.25克干燥的石墨烯加入到0.25升濃度是3wt％K₂S₂O₈的水溶液中，超聲波振蕩分散60分鐘后，過濾，用水清洗，烘干。把0.25g上述石墨烯加入到125mL水中,經(jīng)過30分鐘超聲波分散，隨后在水溶液中加入0.0002mol硝酸鈷，室溫下充分攪拌溶解，形成懸濁液，然后將0.0015mol六次甲基四胺加入到懸濁液中，在室溫下攪拌溶解均勻。隨后把懸濁液裝入高壓反應釜，懸濁液在反應釜中的體積填充率為80％，密閉反應釜，將其加熱到240℃，保溫2小時。然后過濾出固體產(chǎn)物，用水充分清洗，100℃度下烘干后，即可獲堿式碳酸鈷和石墨烯的復合電極材料。產(chǎn)物的XRD圖譜如圖2所示，所制備產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)與(Cu,Co)₂CO₃(OH)₂類同，衍射圖案與標準衍射卡片(29-1416)一致，表明所制備產(chǎn)物是堿式碳酸鈷。

實施例3

將多層石墨烯加熱到200℃干燥1小時后，取0.5克干燥的石墨烯加入到0.5升濃度是3wt％K₂S₂O₈的水溶液中，超聲波振蕩分散30分鐘后，過濾，用水清洗，烘干。把0.5g上述石墨烯加入到250mL水中,經(jīng)過30分鐘超聲波分散，隨后在水溶液中加入0.001mol醋酸鈷，室溫下充分攪拌溶解，形成懸濁液，然后將0.008mol六次甲基四胺加入到懸濁液中，在室溫下攪拌溶解均勻。把懸濁液裝入高壓反應釜，懸濁液在反應釜中的體積填充率為85％，密閉反應釜，將其加熱到210℃，保溫3小時。然后過濾出固體產(chǎn)物，用水充分清洗，150℃度下烘干后，即可獲堿式碳酸鈷和石墨烯的復合電極材料。產(chǎn)物的XRD圖譜如圖3所示。所制備產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)與(Cu,Co)₂CO₃(OH)₂一樣，衍射圖案與標準衍射卡片(29-1416)一致，表明所制備產(chǎn)物是堿式碳酸鈷。

上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。