一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用技术

本发明专利技术属于功能材料及其制备技术领域，提供了一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用，包括如下步骤：S1、制备Ce(CO3)2O

【技术实现步骤摘要】
一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用


[0001]本专利技术属于功能材料及其制备
，具体涉及一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用。

技术介绍

[0002]与传统的储能器件相比，超级电容器由于具有能够快速充放电、功率密度高、循环寿命长、安全可靠等优点，被广泛应用在人们的生活中。而电极材料是影响超级电容器性能的重要因素，现在最常用的超级电容器电极材料主要包括以多孔碳、碳纳米管、石墨烯等为代表的碳材料、导电高分子聚合物以及过渡金属氧化物。碳材料通常在各种电解质中都具有较高的电导率和出色的化学稳定性，但是，其理论比电容有限，面积比电容低；而导电高分子聚合物能够提供相当高的比电容，并且可以在较宽的电位范围内工作，却存在循环过程中由于溶胀/收缩导致的稳定性问题；同样，过渡金属氧化物具有比碳质材料和导电聚合物更高的比电容，但其本身固有的导电性差以及缓慢的离子传输动力学问题会严重影响表面氧化还原反应，导致其组装的超级电容器表现出低的功率密度。因此，开发具有高比电容、良好循环稳定性以及高功率密度和能量密度的超级电容器电极材料仍是该领域的研究热点。
[0003]近年来，金属硫氧化物作为一类新兴的储能材料引起了研究者们的广泛关注，相比于金属氧化物，其具有更好的导电性，有利于电子传输，而且相较于金属硫化物而言，其具有更好的化学稳定性及氧化还原反应活性；另一方面，构建具有高比表面积及丰富介孔的纳米电极材料，其高的比表面积可以为电化学反应提供了更多的活性位点，介孔结构可以缩短电解质离子的扩散路径，促进电子和离子迁移传输，从而大大提高了电极材料的电化学性能。由于Ce
3+
/Ce
4+
混合价态的存在，稀土元素铈形成的化合物(如CeO2)通常会具有高的氧化还原反应活性，被认为是极具潜力的超级电容器电极材料。但CeO2弱的导电性，导致其实际比电容远远低于其理论电容，且倍率性能也很差。而Ce2O2S的电导率比CeO2高，Ce2O2S纳米材料被用作锂离子电池电极材料时，表现出优异的电化学储能性能。然而，由于Ce2O2S纳米材料的可控合成存在一定难度，目前尚未见Ce2O2S纳米材料用于超级电容器的报道。所以，探索简单易行的合成方法以实现具有高比表面积及介孔结构的Ce2O2S纳米材料的可控制备十分必要。
[0004]另外，传统的超级电容器工作电极制作是将粉末状活性电极材料与导电剂、粘结剂混合后涂覆在集流体表面，形成工作电极，其在充放电过程中活性物质容易从集流体表面脱落，从而导致其实际循环寿命大大降低。将活性电极材料直接生长在高导电性集流体表面，不仅可以直接用作工作电极以解决上述问题，还能避免因为粘结剂存而对电极导电性产生的负面影响，从而提高电极的电化学性能。而碳布是常见的高导电性基底，而且相比于金属集流体，不仅成本低廉，而且具有良好的机械柔韧性，有利于在柔性可穿戴电子器件中的应用。故直接在碳布表面生长Ce2O2S纳米材料构建Ce2O2S纳米材料/碳布复合电极材料
对于实际应用具有重要意义。
[0005]本专利技术以高温碳布作为基底，以Ce(NO3)3·
6H2O为铈源，硫代乙酰胺(TAA)为硫源，十六烷基甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，利用水热釜中高温高压环境，先通过水热反应得到含硫的铈化合物/碳布前驱体，再在真空管式炉中，以惰性气体作为保护气体和载气，高温热解水热反应所得前驱体，通过改变反应原料中硫源TAA的用量，在碳布表面制备出形貌可调的Ce2O2S纳米结构。这种方法所制得的Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料纯度高，形貌可控可调，无需后处理，可直接用作超级电容器电极材料，且制备方法操作简单、经济环保。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，针对现有克服现有技术的不足，提供一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用，通过改变硫源TAA的用量在不改变产物物相组成的情况下来调控Ce2O2S纳米结构的形貌，从而实现Ce2O2S纳米结构的比表面积最大化，并且产生丰富的介孔结构，来增加电解质溶液与活性电极材料的有效接触面积，促进电解质离子迁移，进而大大提升Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料的电化学储能性能。
[0007]本专利技术的目的之一是提供一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1、制备Ce(NO3)3·
6H2O/含硫碳布前驱体：以Ce(NO3)3·
6H2O为铈源，TAA为硫源，CTAB为表面活性剂，碳布为基底，通过水热反应使碳布表面硫化形成含硫的官能团，同时在碳布表面生长出Ce(CO3)2O
·
H2O纳米结构，冷却、干燥得到Ce(CO3)2O
·
H2O/含硫碳布前驱体；
[0009]S2、制备Ce2O2S纳米结构/碳布：将S1中的前驱体进行热解还原，最终在碳布表面生长出Ce2O2S纳米结构，得到Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料。
[0010]优选的，S1中，所述Ce(NO3)3·
6H2O：TAA：CTAB的质量比为0.85：0.5～2.0：0.25；并且，在S1制备Ce(CO3)2O
·
H2O/含硫碳布前驱体过程中，保持其他条件不变，通过改变硫源TAA的用量，在碳布表面生长出形貌不同的Ce2O2S纳米结构。
[0011]优选的，S1中，所述基底是通过以下步骤制得的：
[0012]将碳布先放入盐酸溶液中浸泡清洗，再放入以体积比为1:1的浓硫酸/浓硝酸混合液中浸泡处理，用去离子水洗至中性，烘干。
[0013]优选的，S1中，将基底垂直插入水热反应釜中后，再将各个反应原料依次加入去离子水中溶解形成前驱体溶液转移至水热反应釜中，在反应温度为160～200℃下水热反应16～24h。
[0014]优选的，S1中，所述热解还原的方法包括以下步骤：
[0015]将所述前驱体置于高温气氛管式炉中间，通入高纯惰性气体后，进行升温、保温、冷却得到Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料。
[0016]优选的，所述高纯惰性气体为氩气、氮气中的一种。
[0017]优选的，所述升温以5℃/min的速率升温到600～1000℃，保温2h。
[0018]优选的，所述Ce2O2S纳米结构的形貌从纳米颗粒团簇转变成花瓣状纳米片、顶端带须状纳米片以及多棱柱。
[0019]本专利技术的目的之二是提供上述制备方法制备一种形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布
复合材料。
[0020]本专利技术的目的之三是提供利用上述形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料在超级电容器或离子电池中作为电极材料的应用。
[0021]本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于：
[0022]1、本专利技术利用一种简单易行的水热合成法结合后续惰性气氛中热处理，成功制备出形貌可控的Ce2O2S纳米结构，其形貌可以通过改变硫源TAA的用量来调节，相应的比表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种权利要求1所述的形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备Ce(CO3)2O
·
H2O/含硫碳布前驱体：以Ce(NO3)3·
6H2O为铈源，TAA为硫源，CTAB为表面活性剂，碳布为基底，通过水热反应使碳布表面硫化形成含硫的官能团，同时在碳布表面生长出Ce(CO3)2O
·
H2O纳米结构，冷却、干燥得到Ce(CO3)2O
·
H2O/含硫碳布前驱体；S2、制备Ce2O2S纳米结构/碳布：将S1中的前驱体进行热解还原，最终在碳布表面生长出Ce2O2S纳米结构，得到Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料。2.根据权利要求2所述的形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述Ce(NO3)3·
6H2O：TAA：CTAB的质量比为0.85：0.5～2.0：0.25；并且，在S1制备Ce(CO3)2O
·
H2O/含硫碳布前驱体过程中，保持其他条件不变，通过改变硫源TAA的用量，在碳布表面生长出形貌不同的Ce2O2S纳米结构。3.根据权利要求3所述的形貌可调Ce2O2S纳米结构/碳布复合材料的制备方法，S1中，所述基底是通过以下步骤制得的：将碳布先放入盐酸溶液中浸泡清洗，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏，郭晓辉，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：