[发明专利]一种四氧化三钴量子点@碳复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种四氧化三钴量子点@碳复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：A)将碳材料与钴盐混合研磨，得到混合粉末，所述钴盐的熔点低于热分解温度；B)在保护气氛条件下，将所述混合产物升温熔融后继续升温进行热解，得到四氧化三钴量子点@碳复合电极材料。本发明解决了传统四氧化三钴电极存在的导电性差、体积膨胀、实际比容量低、循环稳定性差等问题。制备的四氧化三钴量子点@碳复合电极实现了四氧化三钴的限域生长，获得了均匀包裹在碳纳米空腔内的四氧化三钴量子点。极小的纳米尺寸保障了氧化还原反应的充分发挥，极大地提升了电极比电容。独特的限域结构抑制了充放电过程中电极的体积膨胀，使超级电容器整体的循环稳定性提高。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种四氧化三钴量子点@碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器由于其具有高的能量密度和功率密度，快速的充放电性能，长的循环寿命以及对环境友好的特性，已广泛应用于汽车和电子领域。超级电容器目前所用的电极材料主要有三种：碳材料，过渡金属氧化物和导电聚合物。与碳材料相比，过渡金属氧化物与电解液之间可以发生快速可逆的氧化还原反应从而具有更高的比电容。四氧化三钴因其成本低，环境友好，理论比容量较高(3560F g^-1)，被认为是提升超级电容器能量密度的有希望的候选材料。但它也同其他过渡金属氧化物一样，存在高电阻，体积膨胀等缺点。目前四氧化三钴的研究主要集中在减小纳米尺寸和与碳材料复合方面。从储能机制出发，减小四氧化三钴颗粒尺寸可以暴露出更多的活性位点，从而提升四氧化三钴的电化学性能。碳材料作为一种高导电率的电极材料不仅可以弥补四氧化三钴高电阻的劣势，而且高比表面积可以为前驱体提供大量的分散空间，从而调节四氧化三钴纳米粒子的尺寸。

近些年来，通过结合不同碳材料来构造四氧化三钴纳米结构，实现四氧化三钴以小颗粒在碳材料中均匀分散，从而制备出高电化学性能的四氧化三钴/碳复合电极材料。如专利201610302686.9将不同比例的氧化石墨烯和Co₃O₄的前驱体在不同溶剂中进行充分混合，随后在不同的脉冲激光条件下，制得石墨烯@超微Co₃O₄颗粒复合材料。还有以一步热解法得到的负载在碳纳米片上的四氧化三钴纳米颗粒，如专利201811576714.1。

在以往的四氧化三钴电极研究中，石墨烯等高比表面积碳材料可以为钴盐提供大量的分散空间，然而其开放的平面结构很难对纳米颗粒的团聚和生长起到很好的限制作用。在常用的合成方法中，液相混合难以消除碳材料的疏水性，复合界面间亲和力不足，很难保证大量溶解于溶解中的钴离子全部进入孔中，导致有四氧化三钴残留在碳材料之外。长期的充放电过程中，其结构稳定性难以得到保障，且纳米颗粒易从碳材料表面脱落，导致电化学性能的急剧衰减。另外，在当前的四氧化三钴/碳复合电极材料中，四氧化三钴的尺寸很难突破到5nm以下，颗粒内部的活性成分无法与电解液进行接触，四氧化三钴的电化学性能很难得到最大化的发挥。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种四氧化三钴量子点@碳复合电极材料的制备方法，本发明制备得到的电极材料实现了四氧化三钴的限域生长，获得了被均匀包裹在碳纳米空腔内四氧化三钴量子点。极小的纳米尺寸保障了氧化还原反应的充分发挥，极大地提升了电极比电容。独特的限域结构抑制了充放电过程中电极的体积膨胀，使超级电容器整体的循环稳定性提高。

本发明提供了一种四氧化三钴量子点@碳复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

A)将碳材料与钴盐混合研磨，得到混合粉末，所述钴盐的熔点低于热分解温度；

B)在保护气氛条件下，将所述混合产物升温熔融后继续升温进行热解，得到四氧化三钴量子点@碳复合电极材料。

优选的，所述钴盐选自六水硝酸钴、乙酸钴和草酸钴中的一种或多种。

优选的，所述碳材料的制备方法为：