一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列及其制备方法与应用，属于纳米材料技术领域。本发明专利技术公开了一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，所述SiC@C纳米线准阵列中SiC的相组成为3C

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纳米材料
，涉及一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车和便捷式电子产品的快速发展，对于供能器件的要求越来越高，开发新型高效的能量存储装置迫在眉睫。现阶段，研究人员已经开发出各种电化学储能装置，如金属离子电池、金属空气电池、液流电池和超级电容器等。然而，很少有器件同时满足的高能量/功率密度、长循环稳定性的要求。Zn离子混合超级电容器(Zn
‑
HSCs)作为新型储能装置，因Zn元素无毒，来源丰富，氧化还原电位低(
‑
0.76V vs SHE)等优点而备受关注。此外，Zn离子在Zn阳极上快速的电镀/剥离过程可以获得所需的高能量密度，并且Zn离子在碳阴极上高度可逆的吸附/解吸赋予了极其优异的功率密度。
[0003]当前，Zn离子混合超级电容器面临的最大问题仍然是正负极容量匹配问题，即碳正极的容量与Zn负极的高容量不匹配，使得Zn
‑
HSCs器件的整体性能往往远低于预期值。最近，在多孔碳中加入杂质原子(例如N、B、 P、S和O)被认为是可以显著提高阴极电容的一种有效的策略。相应的，将富含杂质原子的聚合物(例如聚苯胺(PANI)、萘酚(PPy)和聚噻吩(PTh))直接碳化可同时引入具有特定浓度杂质原子。例如，Lu等人报道了一系列掺杂富含杂质原子的多孔碳，具有464F/g的较高比电容(0.2A/g)，在功率密度为50W/kg时获得的能量密度高达16.2Wh/kg；Deka等人报道了用于高效率超级电容器N掺杂多孔碳，具有445F/g(1A/g)的高比电容。证实了C 原子和杂质原子之间产生的化学键可作为重要的活性位点。但是聚合物碳化过程中产生的孔结构多数是微孔，这会导致电荷存储效率低下。此外，微孔对溶剂Zn
2+
的离子筛分作用将直接造成严重的容量损失。因此，目前报道的Zn
‑
HSCs器件的能量密度明显低于理论值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了以核壳结构的 SiC@C纳米线准阵列的正极材料，并组装成正负极容量匹配的锌离子混合超级电容器。
[0005]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：
[0006]一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，所述SiC@C纳米线准阵列中 SiC的相组成为3C
‑
SiC，壳层的C为PEDOT层经冷冻干燥、碳化后的掺杂硫元素的碳材料。
[0007]作为优选，所述SiC@C纳米线准阵列的长径比≥30，线直径为 500～800nm，孔长为13～18μm。
[0008]作为优选，所述PEDOT层通过在反应真空室进行氧化化学气相沉积 (oCVD)后覆盖在SiC纳米线表面。
[0009]进一步优选，PEDOT层的厚度为40～60nm。
[0010]本专利技术还公开了一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的制备方法，所述的制备方
法包括：将预处理后的碳布覆盖在盛有聚硅氮烷、三聚氰胺粉末的坩埚口，在高温气氛炉中加热，冷却后得沉积SiC准阵列的碳布；将沉积SiC纳米线的碳布置于反应真空室，将汽态的EDOT诱导进入反应真空室，汽态的FeCl3引入反应真空室后沉积得SiC@PEDOT纳米线准阵列，清洗后经冷冻干燥、碳化得硫掺杂的SiC@C纳米线复合材料。
[0011]作为优选，碳布的预处理包括将碳布依次在稀盐酸，去离子水中清洗后烘干。
[0012]作为优选，聚硅氮烷、三聚氰胺的质量比为(1
‑
5)：1。
[0013]作为优选，高温气氛炉中的加热温度为1400
‑
1700℃，时间为1
‑
3h，加热速度为30
‑
40℃/分。
[0014]进一步优选，加热温度为1530
‑
1760℃。
[0015]作为优选，所述oCVD腔体中真空度为10
‑4MPa，沉积温度为90
‑
110℃，沉积时间为0.5
‑
5h。
[0016]作为优选，汽态的EDOT是在90
‑
95℃下蒸发后得到。
[0017]作为优选，汽态的FeCl3是在220
‑
230℃下蒸发后得到。
[0018]作为优选，冷冻干燥温度为
‑
70～
‑
90℃，时间为40
‑
60h。
[0019]作为优选，碳化温度为700
‑
900℃，时间为0.5
‑
3h。
[0020]碳化过程PEDOT转变为硫掺杂的壳层C，硫源在为PEDOT自身所含的硫元素，因此在掺杂的深度和均匀性方面有很大优势，并且硫掺杂以后提升了碳材料的电导率。
[0021]本专利技术也公开了一种锌离子混合超级电容器，锌离子混合超级电容器中正极材料为核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，负极为锌片，电解液为浓度为5
‑
8M ZnCl2。
[0022]作为优选，锌离子混合超级电容器的电解液为浓度为5
‑
6M ZnCl2。
[0023]本专利技术的锌离子混合超级电容器具有宽电位窗口和高能量密度；且保持较好的循环稳定性。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]1、本专利技术的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，具有层级化的结构、较大的比表面积、优异的导电性、界面功能化，有利于促进离子/电子的快速输运。
[0026]2、本专利技术的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列在SiC表面有硫掺杂的壳层C，多孔的碳层有利于提升储能的表面积，硫掺杂可以修饰碳结构增加导电性，提升超级电容器功率特性。
[0027]3、本专利技术的由核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的正极材料，锌片负极，浓度为5
‑
8M ZnCl2的电解液组装成的锌离子混合超级电容器正负极容量匹配，并且具有高能量密度和较好的循环稳定性。
附图说明
[0028][0029]图1为本专利技术实施例1中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的透射电镜图。
[0030]图2为本专利技术实施例1中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列从10mV/s 到200mV/s的循环伏安曲线。
[0031]图3为本专利技术实施例1中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的扫速与放电电流的关系曲线。
[0032]图4为本专利技术实施例1的检测一、二、三中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列在三电极体系下测试的奈奎斯特图。
[0033]图5为本专利技术应用实施例1中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列组装的混合超级电容器在不同电势范围下的点为窗口。
[0034]图6为本专利技术应用实施例1中核壳结构的SiC@C纳米线准阵列组装的混合超级电容器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，其特征在于，所述SiC@C纳米线准阵列中SiC的相组成为3C
‑
SiC，壳层的C为PEDOT层经冷冻干燥、碳化后的掺杂硫元素的碳材料。2.根据权利要求1所述的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，其特征在于，所述SiC@C纳米线准阵列的长径比≥30，线直径为500～800nm，孔长为13～18μm。3.根据权利要求1所述的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列，其特征在于，所述PEDOT层通过在反应真空室进行氧化化学气相沉积(oCVD)后覆盖在SiC纳米线表面。4.一种如权利要求1所述的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：将预处理后的碳布覆盖在盛有聚硅氮烷、三聚氰胺粉末的坩埚口，在高温气氛炉中加热，冷却后得沉积SiC准阵列的碳布；将沉积SiC纳米线的碳布置于反应真空室，将汽态的EDOT诱导进入反应真空室，汽态的FeCl3引入oCVD腔体后沉积得SiC@PEDOT纳米线准阵列，清洗后经冷冻干燥、碳化得硫掺杂的SiC@C纳米线复合材料。5.根据权利要求4所述的核壳结构的SiC@C纳米线准阵列的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李维俊，高凤梅，李侃，杨为佑，
申请(专利权)人：江苏尚今光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：