一种CuS纳米结构材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种CuS纳米结构材料及其制备方法和应用，所述CuS纳米结构材料以Cu

【技术实现步骤摘要】
一种CuS纳米结构材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水系锌离子电池
，具体涉及一种CuS纳米结构材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]水系锌离子电池(ZIBs)因其成本低、环境友好、离子导电性好等特点，被认为是最具吸引力的大规模应用替代技术之一。但目前在ZIBs领域中应用最为广泛的锌金属阳极仍然存在一些不可避免的问题，如极易形成的锌枝晶、不可控的自腐蚀、顽固的气体析出等，导致循环稳定性差、电荷过电位大、库仑效率低。虽然已经有很多研究提出了电极结构设计、表面改性和锌合金化等多种策略来提高锌金属阳极的电化学性能，但要彻底解决这些问题仍然困难重重。因此，探索可替代锌金属的锌离子电池阳极材料已然成为目前突破锌离子电池领域重大技术难题的重中之重。
[0003]郑程等人专利技术了一种四硫化钒锌离子电池负极材料，但是这种四硫化钒材料存在固有的导电性差、比表面积小等缺点严重阻碍了其作为电极材料的应用。因此，他们不得不将这种四硫化钒材料与导电石墨烯进行复合来增强其结构。(广东工业大学.锌离子电池负极及其活性材料的制备方法、锌离子电池:CN202210453402.1[P].2022
‑
08
‑
02.)。

技术实现思路

[0004]为了克服以上现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种CuS纳米结构材料及其制备方法和应用，利用一步水热法将Cu
‑
MOF硫化制备出一种CuS纳米结构材料，以得到具有高效转换反应和优异电化学性能的锌离子电池阳极材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种CuS纳米结构材料，所述CuS纳米结构材料以Cu
‑
MOF八面体为前驱体，经水热硫化得到由CuS纳米棒组装而成的八面体层次结构，所述CuS纳米棒结构尺寸为50
‑
100nm，前驱体Cu
‑
MOF八面体的棱长为0.8
‑
1μm。
[0007]一种CuS纳米结构材料的制备方法，包括以下步骤；
[0008]a.将三水合硝酸铜(Cu(NO)3·
3H2O)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于无水乙醇中，并搅拌均匀，得到溶液A；
[0009]b.将1，3，5
‑
苯三羧酸(H3BTC)溶于一定量的无水甲醇中，并搅拌均匀，得到溶液B；
[0010]c.将溶液B缓慢加入搅拌中的溶液A并持续搅拌一定时间，后在室温静置一定时间，产物用无水甲醇清洗干净，再烘干得到Cu
‑
MOF；
[0011]d.将所述Cu
‑
MOF和硫代乙酰胺分别溶解在乙二醇中，超声一定时间之后，将两种溶液混合并均匀搅拌，再加入十六烷基三甲基溴化铵，超声一定时间，将溶液转移至不锈钢反应釜中，在一定温度下反应后取出并用乙醇清洗，烘干，即可得到CuS纳米结构材料。
[0012]所述步骤a中三水合硝酸铜的浓度为70
‑
100mM；所述聚乙烯吡咯烷酮质量为70
‑
100mM；所述步骤b中1，3，5
‑
苯三羧酸的浓度为30
‑
60mM。
[0013]所述三水合硝酸铜(Cu(NO)3·
3H2O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和1，3，5
‑
苯三羧酸(H3BTC)相互之间的比例为2：1：1，此比为合成的Cu
‑
MOF产物最多。
[0014]所述步骤c中静置时间为28
‑
48h；所述步骤c中搅拌时间为30min。
[0015]所述步骤d中硫代乙酰胺浓度为30
‑
60mM，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为5
‑
30mM。
[0016]所述步骤d中Cu
‑
MOF和硫代乙酰胺的摩尔比例1:1～3，主要目的是在水热条件下硫代乙酰胺能够将Cu
‑
MOF硫化为CuS产物；十六烷基三甲基溴化铵与硫代乙酰胺的质量比是：0.5～2.5:1，加入十六烷基三甲基溴化铵的目的主要是在CuS形成过程中，将十六烷基三甲基溴化铵分子插层到CuS晶面层中，有助于增大CuS层间距。
[0017]所述步骤d中反应温度为80
‑
160℃，反应时间为10
‑
16h。
[0018]所述步骤d中超声时间为30min，超声目的是将溶液混合的更加均匀。
[0019]所述CuS纳米结构材料由Cu
‑
MOF前驱体水热硫化而成的由CuS纳米棒组装的八面体层次结构(水热之后仍保留了八面体结构，只是此八面体结构由CuS纳米棒组装而成)。所述CuS纳米棒组装的八面体层次结构材料用于水系锌离子电池阳极。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术将具有良好动力学性能的过渡金属硫化物和具有巨大的比表面积和高的孔隙率的MOFs巧妙组合，以实现具有优异的电化学性能且无锌金属阳极的锌离子电池。
[0022]本专利技术将具有巨大的比表面积和高的孔隙率的MOFs作为前驱体，经水热硫化制备出具有良好动力学性能的过渡金属硫化物，将MOFs结构与过渡金属硫化物巧妙联系起来，以实现具有优异的电化学性能且无锌金属阳极的锌离子电池。
[0023]本专利技术中CuS纳米结构材料由前驱体Cu
‑
MOF和CuS纳米棒组装而成，此结构巨大的比表面积有利于锌离子的嵌入和脱出，可提升锌离子电池的转换速率。
[0024]本专利技术中CuS纳米结构材料以Cu
‑
MOF为前驱体，由CuS纳米棒组装成八面体层次结构。其延续了前驱体Cu
‑
MOF的八面体结构，进而继承了MOFs材料固有的巨大的比表面积的优点，有利于锌离子的嵌入和脱出，可提升锌离子电池的转换速率。
附图说明
[0025]图1为本专利技术CuS纳米结构材料最终的产物示意图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0027]实施例1
[0028]a.将0.9g的三水合硝酸铜(Cu(NO)3·
3H2O)和50mL聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于一定量的无水乙醇中，并搅拌均匀，得到溶液A；
[0029]b.将0.43g的1，3，5
‑
苯三羧酸(H3BTC)溶于50mL的无水甲醇中，并搅拌均匀，得到溶液B；
[0030]c.将溶液B缓慢加入搅拌中的溶液A并持续搅拌30min，后在室温静置24h，产物用无水甲醇清洗干净，再烘干得到Cu
‑
MOF；
[0031]e.将0.08g的Cu
‑
MOF和0.18g的硫代乙酰胺分别溶解在20mL的乙二醇中，超声
30min之后，将两种溶液混合并均匀搅拌，再加入0.1g的十六烷基三甲基溴化铵，超声本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CuS纳米结构材料，其特征在于，所述CuS纳米结构材料以Cu
‑
MOF八面体为前驱体，经水热硫化得到由CuS纳米棒组装而成的八面体层次结构，所述CuS纳米棒结构尺寸为50
‑
100nm，前驱体Cu
‑
MOF八面体的棱长为0.8
‑
1μm。2.基于权利要求1所述的一种CuS纳米结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；a.将三水合硝酸铜(Cu(NO)3·
3H2O)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于无水乙醇中，并搅拌均匀，得到溶液A；b.将1，3，5
‑
苯三羧酸(H3BTC)溶于一定量的无水甲醇中，并搅拌均匀，得到溶液B；c.将溶液B缓慢加入搅拌中的溶液A并持续搅拌一定时间，后在室温静置一定时间，产物用无水甲醇清洗干净，再烘干得到Cu
‑
MOF；d.将所述Cu
‑
MOF和硫代乙酰胺分别溶解在乙二醇中，超声一定时间之后，将两种溶液混合并均匀搅拌，再加入十六烷基三甲基溴化铵，超声一定时间，将溶液转移至不锈钢反应釜中，在一定温度下反应后取出并用乙醇清洗，烘干，即可得到CuS纳米结构材料。3.根据权利要求2所述的一种CuS纳米结构材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a中三水合硝酸铜的浓度为70
‑
100mM；所述聚乙烯吡咯烷酮质量为70
‑
100mM；所述步骤b中1，3，5
‑
苯三羧酸的浓度为30
‑
60mM。4.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：锁国权，穆荣荣，侯小江，杨艳玲，张荔，叶晓慧，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：