低缺陷密度石墨烯与Co3O4复合材料的制备及电化学性能

作     者：王永亮 王春锋 马荣鑫 韩志东 WANG Yongliang;WANG Chunfeng;MA Rongxin;HAN Zhidong

作者机构：哈尔滨理工大学材料科学与工程学院哈尔滨150040 哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室哈尔滨150040 

出 版 物：《材料导报》 (Materials Reports)

年 卷 期：2019年第33卷第18期

页      面：3156-3160页

核心收录：

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

基　　金：国家自然科学基金(51602084) 黑龙江省高校青年创新人才项目(UNPYSCT-2017090) 黑龙江省自然科学基金(YQ2019E030) 黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金资助(LGYC2018JC032)~~ 

主　　题：石墨烯 四氧化三钴 超级电容器 电化学性能 

摘      要：Co3O4/石墨烯复合材料以其较高的比电容和良好的稳定性成为研究的热点。该材料研究中大多采用含官能团较多及分散性较好的氧化石墨烯,然而氧化石墨烯的缺陷较多,将其用于制备复合材料会限制复合材料电化学性能的提高。此外,复合材料制备往往涉及将氢氧化钴/氧化石墨烯复合物热处理获得Co3O4/石墨烯复合材料的过程。本工作选用了机械剥离法制备低缺陷密度石墨烯纳米片(Graphenena noplatelets,GNP),实现了石墨烯纳米片与钴离子均匀稳定的分散,进而采用一步法(无需煅烧)制备Co3O4/GNP复合材料,探讨了Co3O4/GNP复合材料的相关性能。机械剥离法制备的GNP的碳原子层数约为5层,层间距为3.6,且拉曼光谱中ID/IG比值仅为0.07,表明机械剥离法制备的GNP比还原法制备的氧化石墨烯具有较低的缺陷密度。以H2O2为氧化剂,采用一步法制备了Co3O4/GNP复合材料。Co3O4纳米颗粒以方形为主,平均粒径约为12nm,且均匀负载于GNP片层。电化学研究结果表明,当m(Co3O4)∶m(GNP)=8∶1时,Co3O4/GNP复合材料具有最优的比电容值,达到了542F·g-1,内阻仅为1.57Ω。复合材料的内阻与GNP的添加量成反比,当m(Co3O4)∶m(GNP)=3∶1时,复合材料的内阻仅为0.89Ω。本工作创新性地实现了一步法制备Co3O4/GNP复合材料。机械剥离法制备石墨烯确保了GNP具有低缺陷密度,一步法确保了Co3O4纳米颗粒均匀负载于GNP表面。优化Co3O4和GNP配比,制得的复合材料的比电容可达542F·g-1。