铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术的铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法属于量子点纳米材料制备的技术领域，有配制待反应溶液、气体和液体化学反应制备掺铈硫化铜材料、产物提纯等步骤。本发明专利技术具有成本低廉、实验装置简易，操作简单等特点，制备的铈掺杂硫化铜量子点纳米材料具有较高的比电容量，可用于制备超级电容器电极，对于研究能量存储设备具有重要的价值，制备样品的重复性很好，适于工业大规模生产使用。

【技术实现步骤摘要】
铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法
本专利技术属于量子点纳米材料制备的
涉及气体和液体化学反应无机合成掺铈硫化铜(CuS:Ce3+)量子点超级电容器纳米材料的方法。
技术介绍
超级电容器是一种具有高功率、高能量密度、长周期寿命、快速充电/放电速率的储能设备。超级电容器作为一种重要的能源存储设备在移动电子设备，混合动力汽车，航空航天，信息技术等领域具有广泛的应用。超级电容器的性能主要受电极材料的性能和结构的影响。在超级电容中储存的能量要么是双电层电容，要么是赝电容，或者两者都是。赝电容器往往比双电层电容器具有更高的比容量，赝电容器的电荷存储机制主要依赖于电极材料中发生的氧化还原反应。很多金属硫化物可作为超级电容器的电极材料，金属硫化物的制备过程较为简便，硫源也比较容易得到，且可以通过改变反应条件很好的控制其形状和尺寸。硫化铜具有高光吸收系数，高导电性，良好的电化学氧化还原性，在超级电容器及电池应用领域具有广阔的发展空间。将具有独特电子结构的稀土元素铈掺入硫化铜主体材料中，可以提高硫化铜纳米材料的电导率。小尺寸的硫化铜纳米材料可用于制作量子点超级电容器的电极材料。量子点超级电容器不仅具有较高的比电容，还可以减少尺寸对储能设备的影响。参考文献：[1]MinakshiM，MitchellD，JonesR，AlenazeyF，WatcharatharapongT，ChakrabortySandAhujaR.Synthesis，structuralandelectrochemicalpropertiesofsodiumnickelphosphateforenergystoragedevices.Nanoscale，2016，8，11291.[2]HuangKJ，ZhangJZ，JiaYL，XingK，LiuYM.Acetyleneblackincorporatedlayeredcoppersulfidenanosheetsforhigh-performancesupercapacitor.JournalofAlloysandCompounds，2015，(641)，119–126.[3]PengH，MaGF，MuJJ，SunKJ，LeiZQ.ControllablesynthesisofCuSwithhierarchicalstructuresviaasurfactant-freemethodforhigh-performancesupercapacitors.MaterialsLetters，2014，(122)，25–28.制备硫化铜材料的方法有物理气相沉积、液-液界面反应、电沉积、溶液生长技术(SGT)、连续离子层吸附和反应(SILAR)方法、化学水浴沉积(CBD)、喷雾热解、微波辅助化学水浴沉积(MA-CBD)、化学汽相反应、光化学沉积等。但以上实验方法难以实现使用简单的实验装置合成比电容较高的纳米量级的材料，且不易实现掺杂的可控性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种使用简单的实验装置利用气体和液体化学反应法无机合成铈掺杂硫化铜的方法，获得具有高比电容量的量子点超级电容器电极材料。为实现以上目的，本专利技术采用的具体技术方案是：一种铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法，具体步骤如下：1)配制待反应溶液：向乙酸铜中加入去离子水配置铜离子浓度为5～20mmol/L的乙酸铜溶液，向乙酸铈中加入去离子水配置铈离子溶度为10～30mmol/L的乙酸铈溶液，向聚乙烯吡络烷酮中加入去离子水配置浓度为200～300mmol/L的聚乙烯吡络烷酮溶液，将上述各溶液均进行搅拌至溶液内的溶质全部溶解；将配制好的乙酸铜溶液与乙酸铈溶液进行混合，配制乙酸铜与乙酸铈的混合溶液并对混合溶液进行搅拌，在搅拌条件下将聚乙烯吡络烷酮溶液逐滴加入到混合溶液中，搅拌均匀后，再用NaOH溶液将混合溶液的pH值调节至7.00～7.50得到待反应溶液；以上各溶液的用量为，使最终的待反应溶液中的铜离子与铈离子，以及聚乙烯吡络烷酮的摩尔比为1：0.02～0.3：1.0～1.5；将配置好的待反应液倒入带有循环水浴的反应室中，水浴温度控制在40～60℃，最后让反应室内的待反应溶液处于搅拌条件下并让反应室处于超声环境中；2)气体和液体化学反应制备掺铈硫化铜材料：首先利用空气压缩泵抽气以排除实验装置内的空气，然后通过氮气携带的方法将H2S气体通入到步骤1)所述的反应室中，氮气的流量设定为使H2S以10～20毫升/分钟的速度持续进入到反应室中并与待反应溶液进行反应；3)产物提纯：步骤2)反应结束后，对反应产物进行提取和清洗，然后将产物置于140～160℃在N2保护下的环境中进行6小时的重结晶，得到纯化的掺铈硫化铜材料。在步骤1)中，所配制的乙酸铜溶液中铜离子浓度优选10mmol/L，乙酸铈溶液中铈离子溶度优选20mmol/L，聚乙烯吡络烷酮溶液的浓度优选240mmol/L，混合后，最终待反应溶液中的铜离子、铈离子以及聚乙烯吡络烷酮的摩尔比优选1：0.08：1.2。在步骤2)中，在氮气携带下，进入反应室的H2S气体的速度优选15毫升/分钟。有益效果：1、本专利技术的方法制备的铈掺杂硫化铜材料的颗粒尺寸较小且具有较高的比电容量，可用于制备超级电容器电极，对于研究能量存储设备具有重要的价值。2、本专利技术制备的铈掺杂硫化铜纳米材料可以实现铈元素的有效掺杂。当铈离子掺入主体材料后，铈离子部分替代铜离子，改变了CuS材料的晶体结构，丰富了材料的物理信息使其成为一种具有潜力的量子点超级电容器，在储能设备方面有潜在应用。3、本专利技术所用的实验器材简单低廉，实验方法简单易于操作，实验条件易于满足，制备样品的重复性很好，适于工业大规模生产使用。附图说明图1是本专利技术的实验室用的制备掺铈硫化铜量子点超级电容器的实验装置简图。图2是本专利技术按不同原料配比制备的掺铈硫化铜量子点超级电容器的XRD图谱。图3是实例4制得的掺铈硫化铜量子点纳米材料的衍射和高分辨图。图4是本专利技术按不同原料配比制备的掺铈硫化铜量子点超级电容器的循环伏安图。图5是实施例4制得的掺铈硫化铜量子点纳米材料的循环伏安图。图6是实施例4制得的掺铈硫化铜量子点纳米材料的循环寿命测试图。图7是本专利技术按不同原料配比制备的掺铈硫化铜量子点超级电容器的阻抗谱图。具体实施方式实施例1本专利技术的实验装置本专利技术采用气体和液体化学反应实验装置制备量子点超级电容器纳米材料，实验装置如图1所示。图1中主要分为上部制备H2S反应气体的装置、中部发生反应并收集反应产物的装置、右下部尾气吸收装置三个部分。上部制备反应气体H2S的装置主要由输液瓶、带有调解器的导管、三口烧瓶连接而成。导管上的调解器可以控制输液瓶中硫化钠溶液的滴落速度，使装有盐酸溶液的三口烧瓶中滴入硫化钠溶液(硫化钠溶液的滴落速度为15～25滴/分钟)。实验制备的H2S气体是采用摩尔浓度比为1：1的硫化钠溶液与盐酸溶液反应产生的，并在氮气的携带下进入到反应室并与待反应溶液进行反应。中间部分是气体和液体化学反应实验装置中发生反应并收集反应产物的装置，主要由超声器以及带有恒温水浴的反应产物收集瓶、旋浆式搅拌器以及导管连接而成。进入反应室内的H2S气体与烧瓶内的待反应溶液发生反应。实验过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法，具体步骤如下：1)配制待反应溶液：向乙酸铜中加入去离子水配置铜离子浓度为5～20mmol/L的乙酸铜溶液，向乙酸铈中加入去离子水配置铈离子溶度为10～30mmol/L的乙酸铈溶液，向聚乙烯吡络烷酮中加入去离子水配置浓度为200～300mmol/L的聚乙烯吡络烷酮溶液，将上述各溶液均进行搅拌至溶液内的溶质全部溶解；将配制好的乙酸铜溶液与乙酸铈溶液进行混合，配制乙酸铜与乙酸铈的混合溶液并对混合溶液进行搅拌，在搅拌条件下将聚乙烯吡络烷酮溶液逐滴加入到混合溶液中，搅拌均匀后，再用NaOH溶液将混合溶液的pH值调节至7.00～7.50得到待反应溶液；以上各溶液的用量为，使最终的待反应溶液中的铜离子与铈离子，以及聚乙烯吡络烷酮的摩尔比为1：0.02～0.3：1.0～1.5；将配置好的待反应液倒入带有循环水浴的反应室中，水浴温度控制在40～60℃，最后让反应室内的待反应溶液处于搅拌条件下并让反应室处于超声环境中；2)气体和液体化学反应制备掺铈硫化铜材料：首先利用空气压缩泵抽气以排除实验装置内的空气，然后通过氮气携带的方法将H2S气体通入到步骤1)所述的反应室中，氮气的流量设定为使H2S以10～20毫升/分钟的速度持续进入到反应室中并与待反应溶液进行反应；3)产物提纯：步骤2)反应结束后，对反应产物进行提取和清洗，然后将产物置于140～160℃在N2保护下的环境中进行6小时的重结晶，得到纯化的掺铈硫化铜材料。...

【技术特征摘要】
1.一种铈掺杂硫化铜量子点纳米材料的制备方法，具体步骤如下：1)配制待反应溶液：向乙酸铜中加入去离子水配置铜离子浓度为5～20mmol/L的乙酸铜溶液，向乙酸铈中加入去离子水配置铈离子溶度为10～30mmol/L的乙酸铈溶液，向聚乙烯吡络烷酮中加入去离子水配置浓度为200～300mmol/L的聚乙烯吡络烷酮溶液，将上述各溶液均进行搅拌至溶液内的溶质全部溶解；将配制好的乙酸铜溶液与乙酸铈溶液进行混合，配制乙酸铜与乙酸铈的混合溶液并对混合溶液进行搅拌，在搅拌条件下将聚乙烯吡络烷酮溶液逐滴加入到混合溶液中，搅拌均匀后，再用NaOH溶液将混合溶液的pH值调节至7.00～7.50得到待反应溶液；以上各溶液的用量为，使最终的待反应溶液中的铜离子与铈离子，以及聚乙烯吡络烷酮的摩尔比为1：0.02～0.3：1.0～1.5；将配置好的待反应液倒入带有循环水浴的反应室中，水浴温度控制在40～60℃，最后让反应室内的待反应溶液处于搅拌条件下并让反应室处于超声环境中；2)气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明喆，揣明艳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22