一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料及其制备方法，首先将三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，煅烧碳化，得到碳化的三聚氰胺泡沫备用。将Ni2SO4和K2S2O4分别溶于甲醇中，搅拌均匀后混合，再往混合溶液中滴加氨水。之后将碳化后的三聚氰胺泡沫浸润在溶液中，静置2 h后取出，反复用去离子水冲洗后冷冻干燥。将样品与硫粉放置于管式炉中煅烧，便可得到负载于三聚氰胺泡沫上的NiS2材料，该材料表现出优异的电化学性能，包括良好的比电容，优异的倍率性能和良好的循环性能。

Nickel sulfide / carbonated melamine foam composite electrode material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料及其制备方法
本专利技术属于超级电容器用电极材料的制备领域，具体涉及一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料。
技术介绍
对各种便携式和可穿戴电子设备的需求刺激了轻型和柔性储能系统的快速发展，具有增强的电化学性能和良好的机械灵活性。目前，电池和超级电容器是两种较为理想的储能装置，在过去的几十年中，超级电容器，也称为电化学电容器，依靠电极表面的电双层（EDL）电容或电极近表面可逆的法拉第氧化还原反应产生的赝电容来储存能量。由于其具有高功率密度，优异的电化学可逆性和极长的循环稳定性而具有巨大潜力。为了跟上薄，轻和可穿戴电子设备的快速发展。人们开始致力于设计各种非传统的超级电容器，这些超级电容器可以是柔性的，可拉伸的和可压缩的。特别是可压缩的超级电容器由于它可以承受很大的应变，同时保持稳定的电容性能，因此备受关注。然而，一个优异的可压缩的超级电容器强烈依赖于电极材料的合理设计，不仅与其优异的可压缩性能有关而且与材料本身较高的电化学性能有关。通常，应用在可压缩超级电容器中的电极材料主要由支架和电活性组分组成。目前，支架通常包括导电碳基材料和非导电聚合物基材料。三维（3D）石墨烯泡沫或石墨烯气凝胶已被用作可压缩超级电容器的支架。例如，用电活性聚吡咯（PPy）装饰的石墨烯气凝胶已经成功地用作可压缩电极，即使在50%压缩比下也具有几乎不变的电容性能。然而，化学衍生的石墨烯骨架通常具有有限的机械强度。此外，强烈的π-π重新堆叠和不良的片间连接带来了大的界面电阻，这又限制了石墨烯作为导电支架的作用。与3D石墨烯结构相比，化学气相沉积衍生的碳纳米管（CNT）海绵作为可压缩的超级电容器电极在其良好的机械强度和高导电性方面具有很大的前景。然而，CNT海绵的比电容太低，无法满足高能量设备不断增长的需求。海绵基超级电容器很少被研究过。除了碳基支架外，还报道了由纤维素或聚酯纤维组成的非导电海绵作为可压缩电极的支架。最近，通过商业三聚氰胺海绵（MS）的轻度碳化开发出可压缩的超级电容器电极，即使在很大的应变下也能实现优异的电化学性能，但在不牺牲压缩容限的情况下进一步提升其性能仍然是一个巨大的挑战。过渡金属硫化物已被广泛研究作为用于赝电容器的新类电极材料。由于其理论容量大，资源丰富，氧化还原反应丰富，在过去几年中引起了广泛的研究兴趣。其中，硫化镍（NiS）具有着优异的电化学性能。据报道，硫化镍的理论比容量高达1.25×106S/m。另一方面，由于NCS通过电极/电解质界面处的可逆法拉第氧化还原反应来储存能量，因此非常需要具有更多暴露电活性位点和有利离子通路的结构设计来提高性能。基于以上原理，本专利技术提供了一种片状的NiS2，它在碳化的三聚氰胺海绵上垂直生长，可制备出高度可压缩的柔性超级电容器电极。
技术实现思路
本专利技术主要涉及到一种柔性、可压缩的电极材料，该纳米复合材料使用商场上可买到的三聚氰胺泡沫作为模板，将泡沫碳化后负载上NiS2纳米片。当作为赝电容器的电极材料进行评估时，表现出最佳的电化学性能，包括良好的比电容，优异的倍率性能和良好的循环性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，在氮气气氛中以2℃/min的升温速率升至800℃后保温2h，待降至室温后得到碳化的三聚氰胺泡沫；（2）取4.21~12.63g的Ni2SO4溶于16~48ml的甲醇中搅拌均匀，取1.35~4.05g的K2S2O4溶于20~60mL甲醇中搅拌均匀，接着在Ni2SO4溶液中滴入K2S2O4溶液并超声搅拌均匀，再将4~12mL氨水缓慢滴入混合溶液中搅拌均匀，然后把碳化的三聚氰胺泡沫放入溶液中充分浸润，静置2h后取出，用清水反复冲洗后放入冷冻干燥机内冻干，可在三聚氰胺泡沫碳化后形成的氮掺杂的碳（NC）上负载上NiOH，制得样品NiOH@NC。（3）将步骤（2）的样品放置于瓷舟内，然后将瓷舟置于管式炉下游，取400~1200mg硫粉放置于另一瓷舟内，置于管式炉上游，在氩氢混合气（氩气氢气体积比为95:5）保护下以5/℃min升至350℃后保温1~3h，最后待其自然冷却到室温后即制备得到负载于碳化三聚氰胺泡沫的硫化镍电极材料NiS2@NC。本专利技术的显著优点在于：（1）本专利技术提供一种片状的NiS2，在碳化的三聚氰胺海绵上垂直生长，制备出高度可压缩的柔性超级电容器电极，相比于粉状电极材料，负载了NiS2的碳化三聚氰胺泡沫具有3D网状的导电通道，增强了导电性；（2）碳化后的三聚氰胺泡沫，能够生成N掺杂C基底，提高电极材料的浸润性和电导率；（3）NiS2@NC是一种柔性材料，重量轻，可压缩，折叠和弯折，机械稳定性好，并且成本较低。附图说明图1为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的压缩和松开时的数码相片以及扫描电镜图，从数码照片中可以看出我们将材料用手压缩和松开时材料的状态，松开后材料恢复了原来的形状，说明了制备得到的样品具有柔性和可压缩性。从SEM中我们可以看出碳化后的三聚氰胺泡沫（NC）由树枝状的碳纤维组成，直径大概为3μm，这些碳纤维相互连接形成多孔的网络结构，这样的结构使得材料具有一定的结构稳定性和导电性，并且在制备成电极时可不使用导电剂。在碳化后的三聚氰胺泡沫上生长了NiOH（NiOH@NC）之后，3D的导电网状结构仍然保持，原来光滑的碳纤维网络也被片状NiOH完全和均匀的覆盖。水热硫化生成硫化物之后（NiS@NC），材料形貌也依然保持完整，说明材料仍然保持一定的结构稳定性。图2为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的XRD衍射图谱，从XRD图谱中可以分析出样品主要的化合物为NiS2；图3为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的EDS图，从图中可以看出所制备电极材料主要含有Ni、S、C，N，O等元素；图4为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料通过恒流充放电方法（GCD）制得的图，从图中可以看出的倍率性能良好且具有不错的比容量；图5为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的氮气吸附脱附曲线图，从图中我们可以看出所制备电极材料的比表面积为13.36m2g-1。图6为实施例1制得的一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的循环图，从图中可以看出所制备电极材料在4A/g的电流密度下循环2000圈循环保持率为103.9%。具体实施方式本专利技术用下列实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术的保护范围并不限于下列实施例。实施例1一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的制备方法，具体步骤为：（1）三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，在氮气气氛中以2℃/min的升温速率升至800℃后保温2h，待降至室温后得到碳化的三聚氰胺泡沫；（2）取4.21g的Ni2SO4溶于16ml的甲醇中搅拌均匀，取1.35g的K2S2O4溶于20mL甲醇中搅拌均匀，接着在Ni2SO4溶液中滴入K2S2O4溶液并超声搅拌均匀，再将4mL氨水缓慢滴入混合溶液中搅拌均匀，然后把碳化的三聚氰胺泡沫放入溶液中充分浸润，静置2h后取出，用清水反复冲洗后放入冷冻干燥机内冻干，可将NiOH负载于碳化三聚氰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，在氮气气氛中煅烧保温，待降至室温后得到碳化的三聚氰胺泡沫；（2）取Ni2SO4 溶于甲醇中搅拌均匀，取K2S2O4 溶于甲醇中搅拌均匀，接着在Ni2SO4溶液中滴入K2S2O4溶液超声搅拌均匀，再将氨水缓慢滴入混合溶液中搅拌均匀，然后把碳化的三聚氰胺泡沫放入溶液中充分浸润，静置一段时间后取出，用清水反复冲洗后放入冷冻干燥机内冻干，制得样品NiOH@NC；（3）将步骤（2）的样品放置于瓷舟内，然后将瓷舟置于管式炉下游，硫粉放置于另一瓷舟内，置于管式炉上游，在氩氢混合气保护下煅烧，最后待其自然冷却到室温后即制备得到硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料NiS2@NC。

【技术特征摘要】
1.一种硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，在氮气气氛中煅烧保温，待降至室温后得到碳化的三聚氰胺泡沫；（2）取Ni2SO4溶于甲醇中搅拌均匀，取K2S2O4溶于甲醇中搅拌均匀，接着在Ni2SO4溶液中滴入K2S2O4溶液超声搅拌均匀，再将氨水缓慢滴入混合溶液中搅拌均匀，然后把碳化的三聚氰胺泡沫放入溶液中充分浸润，静置一段时间后取出，用清水反复冲洗后放入冷冻干燥机内冻干，制得样品NiOH@NC；（3）将步骤（2）的样品放置于瓷舟内，然后将瓷舟置于管式炉下游，硫粉放置于另一瓷舟内，置于管式炉上游，在氩氢混合气保护下煅烧，最后待其自然冷却到室温后即制备得到硫化镍/碳化三聚氰胺泡沫复合电极材料NiS2@NC。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：包括如下具体步骤：（1）三聚氰胺泡沫放置于管式炉中，在氮气气氛中以2℃/min的升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈奇俤，易明杰，蔡道平，詹红兵，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35