一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料及其制备方法，属于超级电容器用电极材料的制备领域。该制备方法包括以下过程：将氧化石墨烯（GO）加入到乙二醇溶液中，超声分散，使GO在乙二醇溶液中均匀分散；将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、四水合醋酸钴、四水合醋酸镍加入到上述配置的GO分散液中，超声分散溶解后转移至圆底烧瓶进行油浴反应并离心洗涤干燥；将油浴后离心洗涤干燥的产物与硫脲进行煅烧得到氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料。制备的电极材料微观形貌上大小均一的钴镍硫化物颗粒外包覆有氮掺杂碳，并且均匀的负载在石墨烯基底上，同时具有较高的比电容、优良的倍率性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料
本专利技术属于超级电容器用电极材料的制备领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器由于其具有较高的功率密度、优异的倍率性能、快速充电/放电速率、超长的循环寿命、快速的电荷传输速率以及低维护成本等优异的特点，可应用在储能装置、动力电源系统以及诸多电子设备上，已经吸引了来自工业界和学术界的广泛关注。超级电容器的性能与其所用的电极材料密切相关，目前常用的三种电极材料（碳材料、金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物）各有优缺点：碳材料生产工艺简单、价格低廉、循环性能好，但比容量较低；金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物比容量高，但成本高、循环稳定性不好。研究表明，将上述不同种类的电极材料进行复合不仅可以弥补单一材料的缺点，同时还可以实现材料性能的优势互补，获得兼有高容量、优异循环性与倍率性能的超级电容。碳材料具有比表面积大，导电和导热性能优异，化学稳定性好，成本低等特点，是超级电容器最早研究的电极材料，其技术最为成熟。用于超级电容器的碳材料主要有：活性炭、碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯等。过渡金属硫化物具有很高的理论比容量以及良好的循环稳定性，同时导电性是氧化物的百倍，是一种具有广阔前景的超级电容器电极材料。利用石墨烯作为过渡金属硫化物复合的基底材料可以利用两者的协同作用制备出高性能的超级电容器的电极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料及其制备方法。为了进一步提高钴镍硫化物/石墨烯的电化学性能，在一步碳化和硫化过程中，将有机配体碳化形成碳，硫化中将氮元素掺杂到有机配体形成的碳中，提升电极材料导电性和缺陷，从而提高电化学性能。制备的电极材料微观形貌上大小均一的钴镍硫化物颗粒外包覆有氮掺杂碳，并且均匀的负载在石墨烯基底上，同时具有较高的比电容、优良的倍率性能和循环稳定性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将定量的氧化石墨烯（GO）加入到乙二醇溶液中，超声分散，使得氧化石墨烯（GO）在乙二醇溶液中均匀分散；（2）将定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、四水合醋酸钴（Co(CH3COO)2·4H2O）、四水合醋酸镍（Ni(CH3COO)2·4H2O）加入到步骤（1）溶液中，超声充分溶解后将以上混合液转移到圆底烧瓶中并置于油浴锅上油浴反应，接着待其自然冷却到室温后，用无水乙醇离心洗涤多次，最后将洗涤后的产物置于烘干；（3）将定量的步骤（2）离心干燥的产物和定量的硫脲混合平铺在瓷舟中，然后将瓷舟置于氩气保护的管式炉中煅烧进行一步的碳化和硫化处理，最后待其自然冷却到室温后即制备得到氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料。本专利技术所制得的电极材料，钴镍硫化物颗粒外包覆有氮掺杂碳，大小均一，均匀的负载在石墨烯基底上。一步法同时碳化和硫化，有机配体碳化形成碳，硫化过程中硫脲中的氮元素掺杂到有机配体形成的碳中，形成氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料，提升了电极材料的电化学性能。本专利技术的显著优点在于：（1）本专利技术以硫脲为硫源，采用煅烧的方式进行硫化，在硫化过程中同时发生有机配体的碳化反应，整个过程硫化和碳化同时进行，制备工艺简单，操作可控性强。（2）有机配体碳化形成碳，提高电极材料的导电性。（3）硫化过程中，硫脲中的氮元素可以掺杂到有机配体形成的碳中，有利于提高电极材料的电化学性能。（4）本专利技术制备的电极材料在1A/g电流密度充放电下比电容为1028F/g，10A/g电流密度充放电下比电容保持率（倍率性）为89.3%，6A/g电流密度充放电循环1500次，比电容保持率（循环稳定性）为93.6%，表明所制备的电极材料具有较高的比电容，优良的倍率性能和循环稳定性。附图说明图1为实施例1制得的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的XRD衍射图谱。图2为实施例1制得的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的扫描电镜图；从图中可以看出氮掺杂碳包覆的钴镍硫化物纳米晶大小均一，粒径尺寸在80~100nm，均匀的负载在石墨烯基底上。图3为实施例1制得的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的EDS图；从图中可以看出所制备电极材料主要含有Co、Ni、S、C、N等元素，其中N含量达25%，表明通过此方法成功将N元素掺杂到电极材料中。图4为实施例1制得的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的高分辨TEM图；从图中可以看出所制备的钴镍硫化物包裹在碳（Carbon）中。图5为实施例1制得的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的GCD图；从图中可以看出所制备电极材料在不同电流密度下充放电都表现出较高的库伦效率。具体实施方式本专利技术用下列实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术的保护范围并不限于下列实施例。实施例1一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的制备方法，具体步骤为：（1）称取10mg氧化石墨烯（GO，自制）加入到50mL乙二醇中，超声分散30分钟，使GO在乙二醇中分散均匀；（2）称取0.3g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），125mg的四水合醋酸钴（Co(CH3COO)2·4H2O）和124mg的四水合醋酸镍（Ni(CH3COO)2·4H2O）加入到步骤（1）溶液中，超声充分溶解，接着将以上混合液转移到圆底烧瓶中并置于油浴锅上150℃油浴反应5小时。最后，待其自然冷却到室温后，用无水乙醇离心洗涤4-5次，将洗涤后的产物置于电热鼓风干燥箱中烘干；（3）称取15mg步骤（2）离心干燥的产物和35mg硫脲，手工均匀混合后平铺在瓷舟中，然后将瓷舟置于氩气保护的管式炉中煅烧进行一步的碳化和硫化处理，煅烧温度为250℃，升温速率为1℃每分钟，保温5小时。最后待其自然冷却到室温后即可得到产物。实施例2一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的制备方法，具体步骤为：（1）称取5mg氧化石墨烯（GO，自制）加入到30mL乙二醇中，超声分散30分钟，使GO在乙二醇中分散均匀；（2）称取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），250mg的四水合醋酸钴（Co(CH3COO)2·4H2O）和250mg的四水合醋酸镍（Ni(CH3COO)2·4H2O）加入到步骤（1）溶液中，超声充分溶解，接着将以上混合液转移到圆底烧瓶中并置于油浴锅上250℃油浴反应1小时。最后，待其自然冷却到室温后，用无水乙醇离心洗涤4-5次，将洗涤后的产物置于电热鼓风干燥箱中烘干；（3）称取30mg步骤（2）离心干燥的产物和50mg硫脲，手工均匀混合后平铺在瓷舟中，然后将瓷舟置于氩气保护的管式炉中煅烧进行一步的碳化和硫化处理，煅烧温度为300℃，升温速率为1℃每分钟，保温4小时。最后待其自然冷却到室温后即可得到产物。实施例3一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料的制备方法，具体步骤为：（1）称取20mg氧化石墨烯（GO，自制）加入到100mL乙二醇中，超声分散30分钟，使GO在乙二醇中分散均匀；（2）称取0.1g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），60mg的四水合醋酸钴（Co(CH3COO)2·4H2O）和70mg的四水合醋酸镍（Ni(CH3C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中，超声分散，使得氧化石墨烯在乙二醇溶液中均匀分散；（2）将聚乙烯吡咯烷酮、四水合醋酸钴、四水合醋酸镍加入到步骤（1）溶液中，超声充分溶解后将以上混合液转移到圆底烧瓶中并置于油浴锅上油浴反应，接着待其自然冷却到室温后，用无水乙醇离心洗涤多次，最后将洗涤后的产物烘干；（3）将步骤（2）离心干燥的产物和硫脲混合平铺在瓷舟中，然后将瓷舟置于氩气保护的管式炉中煅烧进行一步的碳化和硫化处理，最后待其自然冷却到室温后即制备得到氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中，超声分散，使得氧化石墨烯在乙二醇溶液中均匀分散；（2）将聚乙烯吡咯烷酮、四水合醋酸钴、四水合醋酸镍加入到步骤（1）溶液中，超声充分溶解后将以上混合液转移到圆底烧瓶中并置于油浴锅上油浴反应，接着待其自然冷却到室温后，用无水乙醇离心洗涤多次，最后将洗涤后的产物烘干；（3）将步骤（2）离心干燥的产物和硫脲混合平铺在瓷舟中，然后将瓷舟置于氩气保护的管式炉中煅烧进行一步的碳化和硫化处理，最后待其自然冷却到室温后即制备得到氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料，其特征在于：其制备方法包括如下具体步骤：（1）称取5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈奇俤，苗晋康，蔡道平，詹红兵，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35