【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料及其制法和应用，属于无机复合电极材料。
技术介绍
1、目前，高性能、高稳定性的材料在储能器件、催化剂和电化学传感器等领域的需求不断增加。然而，现有材料往往存在比表面积低、电化学性能不稳定等问题。因此，开发一种新型材料以满足相关领域需求具有重要意义。水系锌离子电容器是一种先进的储能设备，其具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等一系列优点，因而在储能领域具有广阔的应用前景。碳材料如活性炭、氧化石墨烯、碳纳米管等由于具有导电性好、比表面积大等特点而被用做水系锌离子电容器的电极材料。
2、近年来，过渡金属硫化物由于其相对高的理论电容、优异的氧化还原可逆性和特殊的结构而成为储能领域的热门话题。二硫化钒是一类具有二维层状结构的硫化物，金属钒被两个硫层夹在中间。这种松散的结构通过分子间作用力连接，这有利于离子和电子的传输。作为硫化钒的另一种形式，四硫化钒在过渡金属硫化物材料中脱颖而出。与二硫化钒的层状结构不同，四硫化钒表现出一维链状结构，这种稀疏的链状结构为电解质离子的插入和抽出提供了足够的空间，并加速了反应的进行。此外，四硫化钒化合物中硫的含量高，因此四硫化钒的容量高于二硫化钒。目前四硫化钒的合成主要依靠碳质材料作为模板剂。例如，添加氧化石墨烯或碳纳米管可以提供成核路径以诱导在水热过程中合成四硫化钒。四硫化钒作为一种重要的过渡金属硫化物材料，具有良好的电化学储能和催化活性。然而，传统的四硫化钒材料存在能量密度低、电导率差、容量衰减快等问题，限制了其在能源储存和催
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料，本专利技术的第二目的是提供一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料的制备方法，本专利技术的第三目的是提供该四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料作为阴极材料在制备水系锌离子电容器中的应用。
2、技术方案：本专利技术所述的一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
3、(1)制备生物质多孔碳：以天然柚子皮为碳源，将天然柚子皮干燥粉碎，加入柠檬酸溶液水热反应，过滤，洗涤，干燥，加入成碳剂碳化，得到生物质多孔碳；
4、(2)将氧化石墨烯超声分散到钒酸钠水溶液中，得到氧化石墨烯负载钒酸钠水悬浊液；将生物质多孔碳超声分散到硫代乙酰胺有机溶液中，得到生物质多孔碳负载硫代乙酰胺有机溶液悬浊液；
5、(3)将氧化石墨烯负载钒酸钠水悬浊液和多孔碳负载硫代乙酰胺有机溶液悬浊液混合，超声分散，进行原位水热反应，过滤，洗涤，干燥，得到四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料。
6、进一步地，步骤(1)中，所述柠檬酸溶液的浓度为0.1～10mol/l。
7、进一步地，步骤(1)中，所述水热反应的温度为140～200℃，所述水热反应的时间为6～24h。
8、进一步地，步骤(1)中，所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为6～24h。
9、进一步地，步骤(1)中，所述成碳剂为柠檬酸钾、柠檬酸钠或碳酸钠中的一种。
10、进一步地，步骤(1)中，所述碳化是在氮气气氛条件下加热至300～400℃，恒温0.5～4h；接着升温至500～900℃，恒温2～4h。
11、进一步地，步骤(2)中，所述有机溶液为甲醇、乙醇、丙醇中的一种。
12、进一步地，步骤(2)中，所述钒酸钠水溶液的浓度为0.1～0.15mol/l，所述氧化石墨烯与钒酸钠水溶液固液比为1～10:20～25mg/ml。
13、进一步地，步骤(2)中，所述生硫代乙酰胺有机溶液的浓度为0.4～0.9mol/l，所述多孔碳与硫代乙酰胺有机溶液的固液比为10～19:20～25mg/ml。
14、进一步地，步骤(2)中，所述钒酸钠与硫代乙酰胺的摩尔比为1：1～10。
15、进一步地，步骤(2)中，所述超声分散的时间为20～60min。
16、进一步地，步骤(3)中，所述氧化石墨烯负载钒酸钠水悬浊液与多孔碳负载硫代乙酰胺有机溶液悬浊液的体积比为5:4～6。
17、进一步地，步骤(3)中，所述超声分散的时间为20～60min。
18、进一步地，步骤(3)中，所述原位水热反应的温度为140～200℃，所述原位水热反应的时间为12～48h。
19、进一步地，步骤(3)中，所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为6～24h。
20、本专利技术所述制备方法得到的四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料。
21、本专利技术所述的四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料作为阴极材料在制备水系锌离子电容器中的应用。
22、本专利技术还包括所述四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料在制备水系锌离子电容器中的应用方法，包括以下步骤：将四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯复合电极材料与乙炔黑和聚偏氟乙烯混合，研磨，溶解在n-甲基吡咯烷酮中得到浆料，将浆料均匀涂抹在碳纸上，真空干燥得到复合材料电极片，以复合材料电极片为阴极，锌片为阳极，znso4溶液为电解液，组装成水系锌离子电容器。
23、进一步地，所述四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯复合电极材料与乙炔黑与聚偏氟乙烯的质量比为6～8：1～2：0.5～1。
24、本专利技术以天然柚子皮为碳源加柠檬酸溶液水热反应制备生物质多孔碳，经过水热处理和高温碳化后，柠檬酸溶液在高温高压条件下能促进柚子皮中的碳质材料分解，转化为气体和其他挥发性产物，从而形成大量的微孔和介孔，有助于碳材料多孔结构的形成，使碳材料具有较大的比表面积和孔隙体积。
25、本专利技术通过原位法制备了四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料，通过添加生物质多孔碳和氧化石墨烯使电极材料表面引入丰富的含氧官能团，从而提高电极材料的电导率和提供更多的活性位点。通过协同控制生物质多孔碳与氧化石墨烯之间的配比制备了不同氧化石墨烯百分比含量的复合电极材料，从而得出性能最佳的百分比。含氧官能团的引入会与四硫化钒形成c-v键和c-o-v键，增强了多孔碳的结构稳定性，加速了电子传输，有利于提高电极材料的功率密度。而且生物质材料的利用还减少了环境问题的产生，在实际发展应用中具有极大的价值。
26、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：
27、(1)本专利技术通过一步水热法原位合成的四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料，花瓣状的四硫化钒均匀生长在多孔碳和氧化石墨烯上，有效增加了电解液与三元复合材料的接触面积，缩短了离子在充放电过程中的路径。
28、(2)本专利技术以天然柚子皮制得生物质多孔碳材料，一方面，天然柚子皮本身具有多孔结构，另一方面天然柚子皮含有多种类黄酮化合物、维生素以及微量元素，制成的生物质本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述柠檬酸溶液的浓度为0.1～10mol/L，所述水热反应的温度为140～200℃，所述水热反应的时间为6～24h，所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为6～24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述成碳剂为柠檬酸钾、柠檬酸钠或碳酸钠中的一种，所述碳化是在氮气气氛条件下加热至300～400℃，恒温0.5～4h；接着升温至500～900℃，恒温2～4h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有机溶液为甲醇、乙醇、丙醇中的一种，所述钒酸钠水溶液的浓度为0.1～0.15mol/L，所述氧化石墨烯与钒酸钠水溶液固液比为1～10:20～25mg/mL；所述硫代乙酰胺有机溶液的浓度为0.4～0.9mol/L，所述多孔碳与硫代乙酰胺有机溶液的固液比为10～19:20～25mg/mL；所述钒酸钠与硫代乙酰胺的摩尔比为1：1～10，所述超声
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述氧化石墨烯负载钒酸钠水悬浊液与多孔碳负载硫代乙酰胺有机溶液悬浊液的体积比为5:4～6。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述超声分散的时间为20～60min，所述原位水热反应的温度为140～200℃，所述原位水热反应的时间为12～48h，所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为6～24h。
7.权利要求1-6任一项所述制备方法得到的四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料。
8.权利要求7所述的四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料作为阴极材料在制备水系锌离子电容器中的应用。
9.权利要求7所述所述四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料在制备水系锌离子电容器中的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：将四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯复合电极材料与乙炔黑和聚偏氟乙烯混合，研磨，溶解在N-甲基吡咯烷酮中得到浆料，将浆料均匀涂抹在碳纸上，真空干燥得到复合材料电极片，以复合材料电极片为阴极，锌片为阳极，ZnSO4溶液为电解液，组装成水系锌离子电容器。
10.根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于，所述四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯复合电极材料与乙炔黑与聚偏氟乙烯的质量比为6～8：1～2：0.5～1。
...【技术特征摘要】
1.一种四硫化钒/生物质多孔碳/氧化石墨烯三元复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述柠檬酸溶液的浓度为0.1～10mol/l，所述水热反应的温度为140～200℃，所述水热反应的时间为6～24h，所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为6～24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述成碳剂为柠檬酸钾、柠檬酸钠或碳酸钠中的一种，所述碳化是在氮气气氛条件下加热至300～400℃，恒温0.5～4h；接着升温至500～900℃，恒温2～4h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有机溶液为甲醇、乙醇、丙醇中的一种，所述钒酸钠水溶液的浓度为0.1～0.15mol/l，所述氧化石墨烯与钒酸钠水溶液固液比为1～10:20～25mg/ml；所述硫代乙酰胺有机溶液的浓度为0.4～0.9mol/l，所述多孔碳与硫代乙酰胺有机溶液的固液比为10～19:20～25mg/ml；所述钒酸钠与硫代乙酰胺的摩尔比为1：1～10，所述超声分散的时间为20～60min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述氧化石墨烯负载...
【专利技术属性】
技术研发人员：李世云，王建刚，刘丽娜，陈麒泰，主炳鑫，张誉林，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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