一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料及其制备方法，所述CuCS纳米棒材料在铜片上直接生长，Cu、C和S摩尔比为(0.49~0.51):(0.03~0.05):(0.45~0.48)，CuCS纳米棒长度不长于1.5μm，直径30~200nm，CuCS纳米棒材料具有雁电容特性，比电容5.4~6.2F/cm2，循环10000次后比电容保持率大于90%。制备步骤包括：以铜片为基底，清洗后在O2气体干燥箱中烘干；放入水平管式炉，分别通入H2S和CH4气体，在反应室中共同与Cu反应，反应结束后将炉温采用阶梯式冷却方式冷却至室温，取出铜片，即可得到附生在基底上的CuCS纳米棒材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超级电容器电极材料的领域，特别涉及一种用于超级电容器的金属化合物电极材料及其制备方法。
技术介绍
随着石油、天然气等化石能源的不断消耗，环境污染日益加剧，为了经济与社会的可持续发展，人们将目光逐渐转向了清洁能源，如太阳能、潮汐能、核能、生物能等等。在能源领域，研究和开发新型的能源存储系统日益受到人们的关注。其中，超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、温度范围宽、循环寿命长、几乎免维护、绿色环保等优点，可广泛应用于消费电子、电力能源、新能源汽车等诸多领域。在超级电容器的应用领域，新能源汽车目前最为火热。超级电容器和锂离子电池各具优势，所以将二者联用作为电动汽车的动力系统，形成一种复合能源，是目前新能源汽车的首选。在汽车工业中，智能启停控制系统的应用为超级电容器提供了广阔的舞台，在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。超级电容器在新能源汽车中的作用主要有三方面：其一，启动或加速时提供动力，满足车辆在诸如加速、制动以及低温启动等条件下的高功率放电要求，保证短期动能续航并提高性能；其二，制动时回收能量，交通运输是世界上耗能最大的行业，与电池相比，超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能，超级电容器均衡和能量回收作用使车辆的续驶里程得到极大的提高；其三，延长能源动力组的使用寿命，由于电动汽车频繁启动和停车，使得蓄电池的放电过程变化很大，当从一种动力源切换到另一动力源时需要功率支持，若是将超级电容器和蓄电池结合组成复合电源，则可以有效延长蓄电池的使用寿命。基于上述原因，超级电容器在汽车工业中的应用将日益广泛。超级电容器可分为两类，一类为双电层电容器，电极材料主要是碳材料，如活性碳、石墨、多孔碳、石墨烯等；另一类为法拉第准电容器，也称为赝电容器，通常以过渡金属化合物和导电聚合物作为电极材料。相对于双电层电容器，雁电容器具有较高的比电容，因此，雁电容器电极材料的开发成为人们关注的焦点。目前，赝电容器电极材料主要包括导电聚合物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物等，这些材料的比电容大多在1~4F/cm2的范围，难以满足实际应用的需求，所以开发出用于的新型超级电容器电极材料仍是人们追求的目标。
技术实现思路
本专利技术针对实际应用需求，提出了一种用于超级电容器电极的CuCS新材料，并采用化学气相沉积（CVD）方法合成出CuCS纳米棒，具有良好的电化学性能，是一种优异的超级电容器电极材料。本专利技术提供了一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料，CuCS纳米棒在铜片基底上直接生长，是一种由Cu、C和S三种元素形成的新材料，Cu、C和S元素的摩尔比为(0.49~0.51):(0.03~0.05):(0.45~0.48)；CuCS纳米棒的长度和直径大小不一，长度不长于1.5μm，直径30~200nm；CuCS纳米棒材料用于超级电容器电极，表现出雁电容特性，具有很高的比电容，为5.4~6.2F/cm2，循环10000次后比电容保持率大于90%。本专利技术还提供了制备上述用于超级电容器的CuCS纳米棒材料的制备方法，具体包括如下步骤：1）以铜片为基底，依次于丙酮、去离子水、稀盐酸、去离子水中超声清洗，去除铜片表面的氧化物和污染物，在气体干燥箱中烘干；2）将步骤1）处理过的铜片放入水平管式炉，进行CVD生长，通过真空泵将反应室抽真空至不高于10Pa，由两个通气管路分别通入H2S和CH4气体，在设定温度下反应一段时间后，将炉温冷却至室温，取出铜片，即可得到附生在基底上的CuCS纳米棒材料。上述步骤1）中，所述的气体干燥箱为通入高纯O2的气体烘干箱，烘干温度90℃，烘干时间50min，在干燥箱中通入高纯O2可以使铜片在烘干过程中在其表面形成一层高纯度的氧化铜薄层，这是本专利技术提供的制备方法的关键点之一。上述步骤2）中，所述的由两个通气管路分别通入H2S和CH4气体，H2S气体流量为15~20sccm，CH4气体流量为10~15sccm，上述数值范围是经过多次实验后得到的，超出该范围就无法得到含有C元素的CuCS纳米棒材料。上述步骤2）中，所述的在设定温度下反应一段时间，其反应温度为480~520℃，反应时间为20~40min，反应温度低于480℃或高于520℃无法获得CuCS纳米棒材料，反应时间低于20min无法获得CuCS纳米棒材料，反应时间高于40min获得的CuCS纳米棒材料反而更加稀疏。上述步骤2）中，所述的将炉温冷却至室温，其冷却过程采用阶梯式冷却方式，具体如下：在反应结束后，关闭加热电源，继续通入H2S和CH4混合气体至炉温降低至350℃，然后停止通入H2S和CH4混合气体，继续抽真空使炉内的压强保持为不高于10Pa，至炉温降低至150℃时，关闭真空泵，使炉温自然冷却至室温。本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术以铜片为基底，在超级电容器中可作为集流体，可免除在实际生产中的一道工序，节约成本，同时铜片也为CuCS纳米棒形成过程的源材料，从而进一步节约了生产成本。（2）Cu很难与C发生反应生成化合物，本专利技术采用H2S和CH4的混合源方法，利用S的协同催化作用，成功地使S与C共同与Cu反应生成CuCS，是一种新型的材料，可望具有独特的电化学性能。（3）CuCS纳米棒材料用于超级电容器电极，由于C的掺入，使其具有非常优异的性能，比电容可高达6.2F/cm2，且具有高的循环稳定性，是一种优异的超级电容器电极材料。（4）本专利技术所提供的制备方法，采用CVD方法在水平管式炉中一步完成，设备简单，所用原料价廉，易于操作，可实现大规模工业化生产。附图说明图1为实施例1制得的CuCS纳米棒材料的扫描电镜（SEM）图。图2为实施例1制得的CuCS纳米棒材料在2mA/cm2电流密度下的恒流放电图。图3为实施例1~4制得的CuCS纳米棒材料在2mA/cm2电流密度下的比电容循环稳定性曲线图。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明。实施例11）以铜片为基底，依次于丙酮、去离子水、稀盐酸、去离子水中超声清洗，去除铜片表面的氧化物和污染物，置于气体干燥箱中烘干，气体干燥箱中通入高纯O2，烘干温度90℃，烘干时间50min；2）将步骤1）处理过的铜片放入水平管式炉，进行CVD生长，通过真空泵将反应室抽真空至不高于10Pa，由两个通气管路分别通入H2S和CH4气体，H2S气体流量为15sccm，CH4气体流量为15sccm，反应温度500℃，反应时间30min，在反应生长结束后，关闭加热电源，继续通入H2S和CH4混合气体至炉温降低至350℃，然后停止通入H2S和CH4混合气体，继续抽真空使炉内的压强保持为不高于10Pa，至炉温降低至150℃时，关闭真空泵，使炉温自然冷却至室温，取出铜片，得到附生在基底上的CuCS纳米棒材料。附图1为实施例1制得的CuCS纳米棒材料的SEM图，CuCS纳米棒材料在铜片基底上生长，CuCS纳米棒的长度和直径大小不一，长度不长于1.5μm，直径30~200nm。实施例1制得的CuCS纳米棒材料由能谱仪（EDS）测试得到，如表1所示，CuCS纳米棒材料中Cu、C和S元素的摩尔比为0.51:0.05:0.45。附图2为实施例1制得的CuCS纳米棒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料及其制备方法，其特征在于所述的CuCS纳米棒材料具有下述特征：CuCS纳米棒在铜片基底上直接生长，Cu、C和S元素的摩尔比为(0.49~0.51):(0.03~0.05):(0.45~0.48)；CuCS纳米棒的长度和直径大小不一，长度不长于1.5μm，直径30~200nm；CuCS纳米棒材料用于超级电容器电极，表现出雁电容特性，比电容为5.4~6.2F/cm2，循环10000次后比电容保持率大于90%。

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料及其制备方法，其特征在于所述的CuCS纳米棒材料具有下述特征：CuCS纳米棒在铜片基底上直接生长，Cu、C和S元素的摩尔比为(0.49~0.51):(0.03~0.05):(0.45~0.48)；CuCS纳米棒的长度和直径大小不一，长度不长于1.5μm，直径30~200nm；CuCS纳米棒材料用于超级电容器电极，表现出雁电容特性，比电容为5.4~6.2F/cm2，循环10000次后比电容保持率大于90%。2.如权利要求1所述的一种用于超级电容器的CuCS纳米棒材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：以铜片为基底，依次于丙酮、去离子水、稀盐酸、去离子水中超声清洗，去除铜片表面的氧化物和污染物，在气体干燥箱中烘干；将步骤1）处理过的铜片放入水平管式炉，进行CVD生长，通过真空泵将反应室抽真空至不高于10Pa，由两个通气管路分别通入H2S和CH4气体，在设定温度下反应一段时间后，将炉温冷却至室温，取出铜片，即可得到附生在基底上的CuCS纳米棒材料。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕冬梅，
申请(专利权)人：吕冬梅，
类型：发明
国别省市：浙江;33