一种纳米材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种纳米材料及其制备方法与应用，该纳米材料以泡沫镍为载体，以CuCo

【技术实现步骤摘要】
一种纳米材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及电化学和纳米材料
，具体涉及一种纳米材料及其制备方法与应用。
技术介绍
现今的研究人员对可持续和环保能源存储的进展表现出了迫切的研究兴趣，由于超级电容器(SC)具有快速的充放电特性，高功率密度，优异的安全性和长循环寿命。因此被认为是最有前途的能量存储装置。金属有机框架(MOF)被广泛应用于各种领域，如：太阳能电池，锂离子电池，SC，传感器和生物传感器等。这是因为它们具有高度结晶结构的独特特性和化学多样性。由于其配体与金属中心的多样性，我们可以调节金属和配体从而得到类型多样的MOF材料。MOF作为新型多孔材料与传统多孔材料相比，具有孔径可调节、大的比表面积、活性位点丰富等优点。但是，由于MOF骨架结构具有较差的热稳定性和化学稳定性。这个缺点极大地限制了MOF在工业环境中的应用，为了解决这一缺点，利用MOF作为牺牲模板或前驱体引起了研究者们的关注。在MOF的框架中，有机组分和无机组分在一定的距离上呈现周期性地排列，在转化反应中，能产生结构和化学成分明确的材料。由于组成MOF的金属离子/团簇和有机配体种类繁多，根据前驱体MOF和转化条件的不同可以发生多种化学反应。过渡金属硫化物(TMSs)种类繁多，具有诸多独特的物理、化学性质，被认为是最具潜力的电极材料。首先，过渡金属硫化物的电化学反应机制多为转换机制，部分过渡金属硫化物在发生转换反应的基础上，还可以进一步发生合金化反应，因而过渡金属硫化物具有更高的理论比容量。其次，过渡金属硫化物中的M-S键相比于过渡金属氧化物中的M-O或过渡金属氟化物中的M-F键更弱，这也使得材料的可逆性更好，库伦效率更高。此外，过渡金属硫化物还具有原材料廉价易得、形貌可控以及环境友好等优点。但是，过渡金属硫化物仍然面临着转换机制类材料的共性问题，对过渡金属硫化物的微观结构进行调控是至关重要的。这些微观结构调控方法主要包括设计含碳材料的高导电性复合材料、减小材料颗粒尺寸、形貌控制、化学掺杂、结构缺陷和表面包覆或者封装设计等。专利技术专利CN110428976A公开了一种Cu-Co-S-MOF纳米片的制备方法及其应用，该方法包括以下步骤：S1：将硝酸钴六水合物溶于去离子水中，得到溶液A，将2-甲基咪唑溶于去离子水中，得到溶液B，混合溶液A与溶液B，之后加入清洁的泡沫镍进行反应，得到带有Co-MOF的泡沫镍；S2：将硝酸铜六水合物、硝酸钴六水合物溶解于异丙醇中，溶解后得到混合溶液C，向混合溶液C中加入二硫化碳和五甲基二乙烯三胺，得到混合溶液D；S3：将带有Co-MOF的泡沫镍加入混合溶液D中，并转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后得到Cu-Co-S-MOF纳米片。该专利技术制备方法环境友好，制备方法工序简单，便于大规模生产，获得的Cu-Co-S-MOF纳米片应用于电极材料时可取得较为优异的电化学性能。但是，其电荷转移速率、活性位点仍需要进一步提升，这对用于超级电容器上的材料的电化学性能有着显著的影响，也是电容器的核心技术。因此，能源电极材料的结构设计显得至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米材料及其制备方法与应用，具有规整的微观结构和较高的电荷转移速率。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米材料，以泡沫镍为载体，以CuCo2S4为核，以PVP插入式的分层CoFeMn-PVP-LDH材料为壳。本专利技术中，CoFeMn-LDH层状三金属氢氧化合物(LDH)提供了规整的结构以及大比表面积，且PVP的插入可以使得层状间距进一步增大，从而增加了电荷转移的速率，提高了在储能器件上的应用前景。一种上述纳米材料的制备方法，先采用原位生长法在泡沫镍上制备Co-MOF材料，再对Co-MOF材料通过电沉积法制备带有CuCo2S4的泡沫镍，然后将CuCo2S4作为壳，在其表面制备分层PVP插入式的CoFeMn-PVP-LDH材料作为壳。进一步地，该制备方法具体包括以下步骤：(1)采用原位生长法在泡沫镍上制备Co-MOF材料，并将其烘干；(2)将硝酸铜六水合物、硝酸钴六水合物、硫脲、尿素溶解于去离子水中，待其完全溶解后放入带有Co-MOF材料的泡沫镍进行电沉积，得到CuCo2S4/NF；(3)将CuCo2S4/NF、MnCl2·4H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、六次甲基四胺和聚乙烯吡咯烷酮置于去离子水中进行水热反应，得到CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料。更进一步地，步骤(1)所述的原位生长法具体为：将泡沫镍置入2-甲基咪唑和硝酸钴六水合物的混合水溶液中，在室温下反应10～14h。所述的2-甲基咪唑和硝酸钴六水合物的摩尔比为7～9:1。所述的混合水溶液的制备方法具体为：将硝酸钴六水合物溶于去离子水中，称其为溶液A，将2-甲基咪唑溶于去离子水中，称其为溶液B，溶液A和溶液B迅速混合搅拌，得到混合溶液。步骤(2)所述的硝酸铜六水合物、硝酸钴六水合物、硫脲、尿素的摩尔比为1:2:1～5:1～3。步骤(2)所述电沉积过程采用循环伏安法，扫描速率为8～12mV·s-1，电压范围为-1.2～0.2V，扫描圈数为8～12圈。步骤(3)所述的Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和MnCl2·4H2O的摩尔比为1:1～3:1～3；六次甲基四胺和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为1:0.02～1.2。步骤(3)所述的水热反应温度为80℃～120℃，反应时间8～16h。一种上述纳米材料的应用，将所述的纳米材料应用于超级电容器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.本专利技术采用电沉积的方法，直接在带有Co-MOF的泡沫镍上制备了作为核的CuCo2S4纳米材料，避免了粘结剂和导电剂的使用，提高了材料的利用率；2.本专利技术制备的核CuCo2S4纳米材料具有超薄多孔纳米球蜂窝状的结构，提供了更多的活性位点；3.本专利技术CoFeMn-LDH层状三金属氢氧化合物(LDH)提供了规整的结构以及大比表面积，且PVP的插入可以使得层状间距进一步增大，从而有助于电解质的传输和电荷的转移，增加了电荷转移的速率，提高了在储能器件上的应用前景；4.本专利技术制备的CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料性能优异，具有很高的电容性能，有利于储能；5.本专利技术原料来源广泛，价格低廉，制备方法简单，环境友好，便于大规模生产。附图说明图1为实施例1制得的CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料在2μm下的SEM图；图2为实施例1制得的CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料在10μm下的SEM图；图3为实施例1制得的CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料的CV图；图4为实施例1制得的CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料的GCD图。具体实施方式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米材料，其特征在于，以泡沫镍为载体，以CuCo

【技术特征摘要】
1.一种纳米材料，其特征在于，以泡沫镍为载体，以CuCo2S4为核，以PVP插入式的分层CoFeMn-PVP-LDH材料为壳。


2.一种如权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于，先采用原位生长法在泡沫镍上制备Co-MOF材料，再对Co-MOF材料通过电沉积法制备带有CuCo2S4的泡沫镍，然后将CuCo2S4作为壳，在其表面制备分层PVP插入式的CoFeMn-PVP-LDH材料作为壳。


3.根据权利要求2所述的纳米材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)采用原位生长法在泡沫镍上制备Co-MOF材料，并将其烘干；
(2)将硝酸铜六水合物、硝酸钴六水合物、硫脲、尿素溶解于去离子水中，待其完全溶解后放入带有Co-MOF材料的泡沫镍进行电沉积，得到CuCo2S4/NF；
(3)将CuCo2S4/NF、MnCl2·4H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、六次甲基四胺和聚乙烯吡咯烷酮置于去离子水中进行水热反应，得到CoFeMn-PVP-LDH@CuCo2S4/NF纳米材料。


4.根据权利要求3所述的纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的原位生长法具体为：将泡沫镍置...

【专利技术属性】
技术研发人员：成汉文，李明晶，李雨露，黄星，孙冉，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31