一种CC-NiO-CuCoS复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种CC

【技术实现步骤摘要】
一种CC-NiO-CuCoS复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳布作为基体材料和金属氧化物的制备技术，具体涉及一种碳基超级电容器（SCs）复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器(SCs)以其优越的功率密度、超长的循环稳定性以及快速的充放电速率引起了人们的广泛关注，成为便携式电子产品和电动/混合动力汽车的动力源。电极材料作为SCs的关键元件之一，对提高其电化学性能起着重要的作用。为了满足日益增长的能量/功率密度的需求，人们付出了巨大的努力来寻找先进的电极材料。
[0003]在导电基材上构建自支撑阵列是改善过渡金属氧化物作为电极材料的电化学性能的有效方法，该方法不仅可以减少活性物质的团聚，并且无需使用聚合物粘合剂和导电添加剂即可提供更多的电活性位点，而且还可以构建纳米级阵列用于电子传输并在电化学反应过程中缓冲结构应力。尤其是近年来，随着柔性/可穿戴电子设备的快速发展以及对柔性储能设备的需求不断增加，用于直接生长电活性材料的柔性导电基板逐渐受到越来越多的关注。具有高导电性，良好的柔韧性和优异的机械性能的碳布（CC）已成为支撑活性材料的理想的导电基材，已在柔性储能领域得到了广泛的应用。
[0004]现有技术，S. D. Dhas等人通过水热法成功地将NiO涂覆在CC上作为超级电容器的电极材料（《Synthesis of NiO nanoparticles for supercapacitor application as an efficient electrode material》[J]. Vacuum，2020年181卷. ）。但是，所得材料在1M KOH水性电解质中的比电容为132 F g-1
；循环500圈后，最终容量为初始容量的75%。显然，该现有技术获得的循环性能均非常低。专利技术人根据文献所记载的实验步骤分析发现，该技术方案所得材料循环性能较低的原因是NiO纳米片经过水热制成粉末，通过聚偏二氟乙烯粘结剂涂敷在碳布上，该方法制得的粉末容易发生纳米层之间的堆叠，并且粉末与碳布上的粘结性不高，导致负载物脱落等问题，严重的损失了NiO纳米片层的电化学稳定性。但是，将CC作为基底材料时，通过负载其他材料提高复合材料的比电容是有效方法。
[0005]解决上述比电容和循环性能的问题，可以通过控制复合材料的微观形貌进行改善，如现有技术Liu, QX 等人（Rsc Adv，2017年737卷，页码：23143-23148，ISSN:2046-2069）通过化学沉淀法，在CC上制备了直径约为200nm，厚度约为25nm的可控制大小、厚度的NiO纳米片的复合电极材料。实现在1 A g
−1的放电电流密度下，比电容为600.3 F g-1
；在2A g-1 的电流密度下循环3000圈后，最终容量为初始容量的98.1%。虽然该技术提高了复合材料的比电容性能，但是循环性能仍然不满足超级电容器的应用要求。
[0006]通过在CC表面负载金属硫化物改善超级电容器的性能，如现有技术Xie, T 等人（EUR J INORG CHEM，2018年43期，页码：4711-4719，ISSN: 1434-1948）通过水热合成路线直接在CC基底上生长CuCo2S4微球。实现在1 A g-1
时可提供166.67 mAh
·
g-1
的电容，在5 A g-1
的电流密度下循环3000圈后，最终容量为初始容量的91.25%。该技术在循环性能方面同样存在衰减快的问题。
[0007]因此，通过合理的制备方法，对材料的形貌进行控制，得到CC材料以及过渡金属氧化物复合电极材料，是提高材料性能的有效途径。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种稳定的碳基复合材料及其制备方法和应用。
[0009]为了提升碳基复合材料的电化学性能和电化学循环稳定性，本专利技术人采用在CC基底材料上负载NiO纳米片，同时在CC和NiO纳米片表面包覆CuCo2S4纳米颗粒的技术方法，制备一种结构稳定的CC-NiO-CuCoS复合材料。
[0010]其中，负载NiO有以下优点：1．NiO自身属于一种赝电容电极材料；2．金属氧化物具有高的理论比电容，高的化学和热稳定性以及易于使用；3．NiO材料成本低。
[0011]通过在碳基材料上负载NiO，可以增加复合材料的电化学反应活性位点，加快复合材料在电化学反应过程中的离子交换速率，为复合材料提供额外的赝电容，从而达到提升复合材料的电化学性能的目的。
[0012]包覆CuCo2S4的优点：优异的电化学性能，成本低且无毒，并且它具有比单独的铜或钴氧化物更好的电子导电率，至少高两个数量级。
[0013]通过在CC材料上包覆CuCo2S4，能有效增大复合材料的比表面积，在充放电过程中的片层结构坍塌，从而达到提升复合材料的电化学循环稳定性的目的。
[0014]综上，CC负载能提供额外赝电容的NiO和包覆CuCo2S4纳米颗粒，两种材料在发挥自身独特优势的同时能产生良好的协同效应，可以同时达到使结构稳定的CC复合材料的电化学性能和循环稳定性得到大幅度提升的目的。
[0015]另外，引入CC作为基底材料，一方面能使负载材料有片状少堆积的效果，另一方面使碳基复合材料与电解质的接触面积加大，能加速离子的扩散，从而达到提升复合材料整体超级电容性能和电化学稳定性的目的。
[0016]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种CC-NiO-CuCoS复合材料，由CC、NiO和CuCo2S4构成；其中，CC为基体材料，微观形貌为纤维状结构，作用是提供基底使NiO纳米片不堆积和导电基底利于电子的超高速输运；NiO的微观结构为纳米片结构，负载于CC的表面，作用是提供额外赝电容；CuCo2S4的微观结构为纳米颗粒结构，附着于CC和NiO纳米片表面，作用是稳定NiO的片状结构和包覆部分裸露的CC，从而防止材料在测试过程中因结构坍塌而影响电化学性能。
[0017]所述基底材料以CC、六水合硝酸镍、氟化铵、尿素、一水合乙酸铜、四水合乙酸钴、硫脲为起始原料，经两步水热法制得。
[0018]CC-NiO-CuCoS复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤1）CC的活化，将CC分别在乙醚溶液、无水乙醇去离子水中超声清洗后，在一定质量分数的浓硝酸中，在一定条件下进行活化，完成之后，经去离子水和无水乙醇清洗并干燥后，即可得到活化后的CC；所述步骤1浓硝酸溶液的质量分数为69%；所述步骤1活化条件为活化温度为80-90℃，活化时间为3-4 h；所述步骤1清洗的条件为超声15-20 min；所述步骤1干燥的条件为干燥温度为60-100℃，干燥时间为12-24 h。
[0019]步骤2）CC-NiO复合材料的制备，以六水合硝酸镍、氟化铵、尿素满足一定的物质的
量之比，将步骤1所得活化后的CC与六水合硝酸镍、氟化铵、尿素一起放入水中，在一定条件下进行水热反应，反应完毕后，再本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CC-NiO-CuCoS复合材料，其特征在于：由CC、NiO和CuCo2S4构成；其中，CC为基体材料，微观形貌为纤维状结构，作用是提供基底使NiO纳米片不堆积和导电基底利于电子的超高速输运；NiO的微观结构为纳米片结构，负载于CC的表面，作用是提供额外赝电容；CuCo2S4的微观结构为纳米颗粒结构，附着于CC和NiO纳米片表面，作用是稳定NiO的片状结构和包覆部分裸露的CC。2.根据权利要求1所述的CC-NiO-CuCoS复合材料，其特征在于：所述基底材料以CC、六水合硝酸镍、氟化铵、尿素、一水合乙酸铜、四水合乙酸钴、硫脲为起始原料，经两步水热法制得。3.按照权利要求1所述的CC-NiO-CuCoS复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）CC的活化，将CC分别在乙醚溶液、无水乙醇去离子水中超声清洗后，在一定质量分数的浓硝酸中，在一定条件下进行活化，完成之后，经去离子水和无水乙醇清洗并干燥后，即可得到活化后的CC；步骤2）CC-NiO复合材料的制备，以六水合硝酸镍、氟化铵、尿素满足一定的物质的量之比，将步骤1所得活化后的CC与六水合硝酸镍、氟化铵、尿素一起放入水中，在一定条件下进行水热反应，反应完毕后，再经清洗烘干后，在一定条件下进行退火，即得到CC-NiO复合材料；步骤3）CC-NiO-CuCo2S4复合材料的制备，以一水合乙酸铜、四水合乙酸钴、硫脲满足一定的物质的量之比，先将一水合乙酸铜、四水合乙酸钴溶于乙二醇中配制成混合溶液搅拌一定时间后，再加入硫脲搅拌一定时间，混合完毕后，将步骤2所得CC-NiO复合材料加入到混合溶液中，在一定条件下进行二次水热，反应完毕后，经去离子水和无水乙醇清洗，干燥，即可得到CC-NiO-CuCo2S4复合材料。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：向翠丽，王顺香，邹勇进，徐芬，孙立贤，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：