一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容器电极的方法技术

本发明专利技术属于纳米材料应用领域，具体地，本发明专利技术涉及一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容器电极的方法。本发明专利技术包括以下步骤：1)将金属性过渡金属盐和硫族单质经化学气相沉积法制备成金属性过渡金属硫属化合物纳米片；2)将金属性过渡金属硫化合物纳米片分散至去离子水和异丙醇的混合溶液中，得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液；3)在上述过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液中添加粘结剂后，滴涂至玻碳电极上，制成超级电容器电极。本发明专利技术以金属性过渡金属硫属化合物纳米片作为电极的超级电容器电容超过1.5×10

A method for the preparation of supercapacitor electrodes by metallicity transition metal sulphur compounds

The invention belongs to the field of nanomaterials application. In particular, the invention relates to a method for preparing supercapacitor electrodes by using metal transition metal sulfur compounds. The invention comprises the following steps: 1) the transition metal salt and metal chalcogenide element by chemical vapor deposition preparation of metal transition metal chalcogenide nano sheet; 2) mixed solution of metal transition metal sulfur compound nanosheets dispersed to deionized water and isopropyl alcohol, metal transition metal chalcogenide nano sheets suspensions; 3) in the transition metal chalcogenide compound binder nanosheet suspensions after dipping to glassy carbon electrode, made of super capacitor electrode. The supercapacitor capacity of the present invention is over 1.5 * 10 with the metal transition metal sulphur compound nanoscale as the electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容器电极的方法
本专利技术属于纳米材料应用领域，具体地，本专利技术涉及一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容器电极的方法。
技术介绍
单层过渡金属硫属化合物(MX2，M＝过渡金属，X＝S,Se,Te)作为一类典型的类石墨烯二维材料，由于其独特的物理性质引起了人们的广泛关注。其中，二硫化钒作为一种典型的金属性材料，拥有不同于半导体性二硫化钼或二硫化钨的能带结构，极大地拓宽了二维材料的应用前景。可同其他半导体或绝缘体性质的二维材料结合，利用其金属性的特点，构筑全二维材料的原子层厚度的电子学器件。一直以来，对于过渡金属硫属化合物的电子学与光电子学应用领域，沟道材料(MX2)与金属电极之间较大的接触电阻始终是器件发展的最大瓶颈。探索电子性质与结构特点与MX2相当的材料可以有效的降低接触电阻，从而增大器件的载流子迁移率。因此二硫化钒作为一种金属性的过渡金属硫属化合物，在这一领域具有广泛的应用前景。超级电容器作为一种高能量电能存储元件，已成为材料、电子、物理、化学等多学科交叉领域研究的热点之一。超级电容器的性能与电极材料、电解液以及使用的隔膜有关，而电极材料是其中最主要的因素。电极材料的性能直接决定了超级电容器的性能好坏。现有技术中，传统的超级电容器电极材料往往存在着比表面积利用率低，电导率低等问题。
技术实现思路
本专利技术旨在针对技术存在的不足，提供一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备电极材料的方法。具体地，包括一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容器电极的方法。本专利技术将具有层状结构的金属性过渡金属硫属化合物用作超级电容器电极，不仅有利于金属离子的嵌脱和电荷转移，提高电导率，同时赝电容电荷储存机制带来的可逆法拉第反应使电容器具有高功率密度和能量密度，从而大大提高超级电容器的电化学性能。具体地，本专利技术包括以下步骤：1)将金属性过渡金属盐和硫族单质经化学气相沉积法制备成金属性过渡金属硫属化合物纳米片；2)将金属性过渡金属硫属化合物纳米片分散至去离子水和异丙醇的混合溶液中，得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液；3)在上述过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液中添加粘结剂后，滴涂至玻碳电极上，制成超级电容器电极。作为一种选择，所述金属性过渡金属硫属化合物纳米片的制备方法包括以下步骤：a)将硅片依次置于去离子水、丙酮和异丙醇中进行超声清洗，随后用氮气吹干，置于高温管式炉反应腔中；b)在相对于硅片的气流上游放置金属性过渡金属氯化物(优选为三氯化钒粉末)，距金属性过渡金属氯化物3～5厘米处放置硫族单质(优选硫粉或硒粉)；c)向管式炉中通入20～200sccm氩气和1～20sccm氢气的混合气体，气流稳定后将硫族单质、金属性过渡金属氯化物和硅片分别加热，以硅片为基底，在基底上生长得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片。根据本专利技术所述的方法，在上述金属性过渡金属硫属化合物纳米片的制备方法中，所述金属性过渡金属氯化物为氯化钒，所述硫族单质为硫或硒，所述金属性过渡金属硫属化合物为二硫化钒或二硒化钒。根据本专利技术所述的方法，其中，所述SiO2氧化层厚度为90～300nm。根据本专利技术所述的方法，其中，所述硫属单质为硫时，所述步骤b)中在相对于基底的气流上游6～9厘米处放置金属性过渡金属氯化物，所述步骤c)中将硫属单质、金属性过渡金属氯化物和基底分别加热至250～275℃，275～300℃和600～620℃，并且均恒温保持5～10分钟；或者，所述硫属单质为硒时，所述步骤b)中在相对于基底的气流上游12～15厘米处放置金属性过渡金属氯化物，所述步骤c)中将硫属单质、金属性过渡金属氯化物和基底分别加热至355～370℃，370～395℃，600～620℃，并且均恒温保持1～5分钟。根据本专利技术所述的方法，其中，步骤2)中将金属性过渡金属硫属化合物纳米片分散至去离子水和异丙醇的混合溶液后进行超声处理，优选超声处理50～70分钟。根据本专利技术所述的方法，其中，步骤2)所述去离子水与异丙醇的体积比为1：3～1：4，所述金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液的浓度为0.20～0.45mg/mL。根据本专利技术所述的方法，其中，所述金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液与粘接剂的体积比为1：4～1：5。根据本专利技术所述的方法，其中，步骤3)所述粘接剂为质量分数3％～5％的全氟磺酸溶液。根据本专利技术所述的方法，其中，步骤3)所述滴涂后自然干燥9～10小时。所述玻碳电极的有效面积为0.05～1cm2。本专利技术以金属性过渡金属硫属化合物纳米片作为电极的超级电容器，其独特的层状结构不仅有利于金属离子的嵌脱和电荷转移，提高电导率，同时赝电容电荷储存机制带来的可逆法拉第反应使电容器具有高功率密度和能量密度，从而提高超级电容器的电化学性能。以金属性过渡金属硫属化合物纳米片作为电极的超级电容器电容超过1.5×102F·g-1，以硫酸溶液作为电解液时表现出高功率密度(＞10W·cm-3)和高能量密度(＞0.1Wh·cm-3)，且具有良好的循环性能。附图说明图1为本专利技术实施例1中工作电极的模型图。图2为本专利技术实施例1中工作电极的循环伏安曲线。图3为本专利技术实施例1中工作电极的充放电曲线。图4为本专利技术实施例1中超级电容器的循环充放电测试曲线。具体实施方式下面以附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。实施例1将清洗过后硅片置于高温管式炉反应腔中。在硅片的气流上游依次放置三氯化钒粉末和硫粉，硫粉距离三氯化钒3厘米，三氯化钒距离基底6厘米。向反应炉中通入高纯氩气(100sccm)和氢气(10sccm)，待气流稳定后将硫粉、三氯化钒和硅片的分别加热至为250℃，275℃和600℃，恒温5分钟进行生长，得到密度较高的二硫化矾纳米片。随后将1mg二硫化矾纳米片分散至去离子水(1mL)和异丙醇(3mL)的混合溶液中进行1小时超声处理，制备得到质量浓度为0.25mg/mL的过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液。将取上述二硫化矾纳米片悬浮液10μL与40μL质量分数为5wt.％的全氟磺酸(粘结剂)混合，滴涂至抛光的玻碳电极(有效面积0.07cm2)上，自然干燥9小时，即制成超级电容器电极材料。将制备的二硫化矾纳米片/玻碳(超级电容器电极材料)作为工作电极，进行电化学测试。所有电学测试均在电化学工作站(CHI660E)的三电极体系上进行。以二硫化矾纳米片/玻碳为工作电极，石墨棒为对电极，饱和甘汞电极(校准电势为0.281V，包括盐桥的电压降)为参比电极，电解液为0.5mol/L的硫酸溶液，所有电势校准到标准氢电极(NHE)。模型图如图1所示。扫描速率为5mV/s的循环伏安曲线如图2所示。循环伏安特性曲线近长方形的特征表明二硫化矾纳米片作为电极的超级电容器具有电容特性。电流密度为2A/g的恒电流充放电曲线如图3所示，其三角形形状特征同样表明二硫化矾纳米片作为电极的超级电容器具有电容特性。由循环伏安曲线图2和恒电流充放电曲线图3计算可得，二硫化矾纳米片作为电极的超级电容器的比电容为6.5×102Fg-1，与基于石墨烯或1T-二硫化钼纳米片的高性能超级电容器相当。计算公式分别为和其中Cg为比电容，i为瞬时电流，v为扫描速率，m为二硫化矾质量，V为电位区间，I为恒电流，Δt为充放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容电极的方法，包括以下步骤：1)将金属性过渡金属盐和硫族单质经化学气相沉积法制备成金属性过渡金属硫属化合物纳米片；2)将金属性过渡金属硫属化合物纳米片分散至去离子水和异丙醇的混合溶液中，得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液；3)在上述过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液中添加粘结剂后，滴涂至玻碳电极上，制成超级电容器电极。

【技术特征摘要】
1.一种利用金属性过渡金属硫属化合物制备超级电容电极的方法，包括以下步骤：1)将金属性过渡金属盐和硫族单质经化学气相沉积法制备成金属性过渡金属硫属化合物纳米片；2)将金属性过渡金属硫属化合物纳米片分散至去离子水和异丙醇的混合溶液中，得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液；3)在上述过渡金属硫属化合物纳米片悬浮液中添加粘结剂后，滴涂至玻碳电极上，制成超级电容器电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述化学气相沉积法，包括以下步骤：a)将带有SiO2氧化层的硅片依次置于去离子水、丙酮和异丙醇中进行超声清洗，随后用氮气吹干，置于高温管式炉反应腔中；b)在相对于硅片的气流上游放置金属性过渡金属氯化物，距金属性过渡金属氯化物3～5厘米处放置硫属单质；c)向管式炉中通入20～200sccm氩气和1～20sccm氢气的混合气体，气流稳定后将硫属单质、金属性过渡金属氯化物和硅片分别加热，以硅片为基底，在基底上生长得到金属性过渡金属硫属化合物纳米片。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属性过渡金属氯化物为三氯化钒，所述硫属单质为硫或硒，所述金属性过渡金属硫属化合物为二硫化钒或二硒化钒。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硫属单质为硫，所述步骤b)中在相对于基底的气流上游6～9厘米处放置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳锋，杨鹏飞，纪清清，李聪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11