本發(fā)明涉及超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料及其制備和一種超級電容器。
背景技術(shù)：
超級電容器是一種先進的能源儲存器件，近年來受到廣泛關(guān)注，它具有功率密度高、充電時間短、溫度特性好、使用壽命長等諸多優(yōu)點，在未來的電動汽車等大功率應(yīng)用中有良好的應(yīng)用前景。超級電容器的電極材料主要包括碳材料、過渡金屬氧化物、過渡金屬氫氧化物和導(dǎo)電聚合物材料等。根據(jù)儲能機理，超級電容器可分為雙電層電容器和法拉第電容器，其中法拉第電容器具有比雙電層電容器更高的比容量，具有更大的發(fā)展?jié)摿?。法拉第超級電容器電極材料目前研究較多的為導(dǎo)電高聚物和金屬氧化物及其氫氧化物，相對于導(dǎo)電高聚物而言，金屬氧化物及其氫氧化物具有更好的電化學(xué)穩(wěn)定性，從而引起了眾多研究者極大的興趣。
從電極材料和能量存儲原理的角度，超級電容器可以分為雙電層超級電容器和贗電容超級電容器。雙電層電容器是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲電荷，存儲電量的多少依賴于電極材料比表面積的大小，雙電層超級電容器具有功率密度大的優(yōu)點，但其比電容和能量密度較小，因而限制了其應(yīng)用范圍。贗電容器是利用在電極材料表面或近表面層發(fā)生的快速可逆的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)儲電，與雙電層超級電容器相比贗電容器可以獲得高得多的比電容和能量密度，因此具有很好的應(yīng)用前景。目前超級電容器的最佳電極材料是貴金屬氧化物RuO2，它具有很高的比容量和良好的電導(dǎo)率，但其價格十分昂貴，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。鎳鈷復(fù)合氧化物/氫氧化物因具有成本低、氧化還原活性好、理論比電容高等優(yōu)點，而受到特別關(guān)注，但循環(huán)穩(wěn)定性差是其當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問題。因此開發(fā)高容量、高穩(wěn)定性和價格低廉的新型復(fù)合電極材料具有重要意義。金屬硒化物因為其獨特的納米結(jié)構(gòu)和較高的理論電容得到廣泛關(guān)注組，然而硒化物由于導(dǎo)電率差，很難應(yīng)用在儲能電池上的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料及其在儲能電池上的應(yīng)用，首次將硒化鈷與石墨烯復(fù)合，提高了硒化鈷的充放電穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，且制備方法簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將石墨烯加入濃硝酸和濃硫酸的混合溶液中，120~140℃加熱回流6~12h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到活化石墨烯懸浮液；
（2）將硒源和鈷源加水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~40 min，然后轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，在160~180℃下反應(yīng)6~10h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在40~60℃下真空干燥6~12h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
優(yōu)選的，在步驟（1）中，所述濃硝酸和濃硫酸的體積比為1：（0.5~3）。
優(yōu)選的，所述活化石墨烯懸浮液濃度為0.5～15 mg/mL。
優(yōu)選的，硒源為單質(zhì)硒、亞硒酸鈉、亞硒酸鉀、硒代硫酸鈉、二氧化硒中的一種。
優(yōu)選的，所述鈷源為乙酸鈷、鹵化鈷、硫酸鈷、硝酸鈷、高氯酸鈷中的一種。
優(yōu)選的，硒源與鈷源的摩爾比為2~3:1。
優(yōu)選的，由平均粒徑為5~20nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：（1~2）：（0.05~0.8）。
一種超級電容器，由碳正極、隔膜、電解液和負(fù)極組成，所述負(fù)極為如權(quán)利要求7所述的硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
優(yōu)選的，所述超級電容器在電流密度為1A/g時，比電容為138 F/g，在1A/g的電流密度下循環(huán)5000次后，比電容為89.6 F/g。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過水熱法一步合成了硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，是復(fù)合材料中硒化鈷的形狀均勻的球狀，且均勻的附著在石墨烯的表面，具有很大的比表面積，為電子和離子反應(yīng)提供了更多的活性位點，石墨烯有效緩解了硒化鈷在充放電過程中的體積變化，減少電極容量衰減，同時石墨烯能增加硒化鈷電極的導(dǎo)電性，增加其粒子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，將制備的硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料作為超級電容器的負(fù)極，其具有較高的充放電比電容和較長的循環(huán)壽命，且原材料來源豐富，生產(chǎn)成本低廉，生產(chǎn)成本可控，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實施例1：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，由平均粒徑為10nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：1.2：0.5。
所述硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將1g石墨烯加入200 mL濃硝酸和100 mL濃硫酸的混合溶液中，120℃加熱回流8h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到濃度為6.8 mg/mL活化石墨烯懸浮液；
（2）將0.6 mol硒代硫酸鈉和0.2 mol氯化鈷加50mL水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~20min，然后轉(zhuǎn)入60mL聚四氟內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，在160℃下反應(yīng)10h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在40 ℃下真空干燥12h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
實施例2：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，由平均粒徑為18nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：1.6：0.65。
所述硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將1g石墨烯加入150 mL濃硝酸和150 mL濃硫酸的混合溶液中，120℃加熱回流12h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到濃度為0.5mg/mL活化石墨烯懸浮液；
（2）將0.15 mol硒代硫酸鈉和0.05mol高氯酸鈷加50mL水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~20min，然后轉(zhuǎn)入60 mL聚四氟內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，在180 ℃下反應(yīng)6 h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在50℃下真空干燥 12h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
實施例3：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，由平均粒徑為12 nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：1.5：0.1。
所述硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將1g石墨烯加入75mL濃硝酸和225 mL濃硫酸的混合溶液中，140℃加熱回流6h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到濃度為15 mg/mL活化石墨烯懸浮液；
（2）將0.2 mol二氧化硒和0.1mol硝酸鈷加50 mL水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~20min，然后轉(zhuǎn)入60mL聚四氟內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)10h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在60℃下真空干燥6h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
本發(fā)明還提供一種實施例1~3中硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料在超級電容器上的應(yīng)用。
一種超級電容器電極的制備方法：取0.32g復(fù)合材料、0.04g乙炔黑、0.04g PVDF，充分研磨后，加入NMP分散，調(diào)漿均勻后在泡沫鈷上拉漿制片，裝配成紐扣電池。
實施例4：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，由平均粒徑為5nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：1：0.05。
所述硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將1g石墨烯加入100 mL濃硝酸和200 mL濃硫酸的混合溶液中，140℃加熱回流6h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到濃度為12 mg/mL活化石墨烯懸浮液；
（2）將0.2 mol二氧化硒和0.1mol硝酸鈷加50 mL水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~20min，然后轉(zhuǎn)入60mL聚四氟內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)10h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在60℃下真空干燥6h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
本發(fā)明還提供一種實施例1~3中硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料在超級電容器上的應(yīng)用。
一種超級電容器電極的制備方法：取0.32g復(fù)合材料、0.04g乙炔黑、0.04g PVDF，充分研磨后，加入NMP分散，調(diào)漿均勻后在泡沫鈷上拉漿制片，裝配成紐扣電池。
實施例5：
一種硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，由平均粒徑為20nm硒化鈷納米球和石墨烯復(fù)合而成，其中，硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料中各物質(zhì)的摩爾配比為硒：鈷：碳=1：2：0.8。
所述硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將1g石墨烯加入120 mL濃硝酸和180 mL濃硫酸的混合溶液中，140℃加熱回流6h，然后用微孔濾紙過濾，并反復(fù)清洗至pH為7，得到濃度為8 mg/mL活化石墨烯懸浮液；
（2）將0.2 mol亞硒酸鈉和0.1mol硫酸鈷加50 mL水溶解，攪拌均勻后，在混合溶液中加入活化石墨烯懸浮液，超聲分散10~20min，然后轉(zhuǎn)入60mL聚四氟內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)10h后，以2~10℃/min的速率冷卻至室溫；
（3）將水熱反應(yīng)產(chǎn)物固液分離，先水洗三次，再用乙醇清洗三次，然后在60℃下真空干燥6h，得到硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料。
本發(fā)明還提供一種實施例1~3中硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料在超級電容器上的應(yīng)用。
一種超級電容器電極的制備方法：取0.32g復(fù)合材料、0.04g乙炔黑、0.04g PVDF，充分研磨后，加入NMP分散，調(diào)漿均勻后在泡沫鈷上拉漿制片，裝配成紐扣電池。
表1：實施例1~5中各電極材料的電化學(xué)性能
綜上，本發(fā)明實施例具有以下優(yōu)點：本發(fā)明通過水熱法一步合成了形狀均勻的球狀硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料，具有很大的比表面積，石墨烯有效緩解了硒化鈷在充放電過程中的體積變化，減少電極容量衰減，同時石墨烯能增加硒化鈷電極的導(dǎo)電性，將制備的硒化鈷/石墨烯復(fù)合納米材料作為超級電容器的負(fù)極，其具有較高的充放電比電容和較長的循環(huán)壽命，且原材料來源豐富，生產(chǎn)成本低廉，生產(chǎn)成本可控，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。