一种FeNi-S@N-RGO纳米片超级电容器电极材料及其制备方法与流程

本发明属于电化学和纳米材料技术领域，具体涉及一种feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术：

随着化石能源的枯竭和环境问题的严峻，对可再生清洁能源的开发、利用变得越来越重要。太阳能、风能是最丰富最重要的可再生清洁能源，由于太阳能和风能的多变不稳定的自然特性，导致太阳能和风能的发电输出也呈现出间歇性、多变的特点。为了使这些能源产品能够融入电网，储能系统和新能源产品的配合使用来构建智能电网就变得尤为重要。具有高功率密度，高能量密度的储能器件的应用研究对未来构建先进的储能系统具有重要意义。此外，便捷式电子产品的日益普及，以及以电动车为代表的新能源产业的蓬勃发展，为储能器件的研究应用提供了前所未有的发展机遇，同时对储能器件的性能也提出了很高的要求。

超级电容器具有超高的功率密度是其他所有储能器件所不具备的特性，也是其核心竞争力。而锂-硫电池是超越目前广泛使用锂离子电池最有前途和希望的一种高能量密度。对于电极材料来说，为了提高其电容性能，电极材料必须同时具有搞得比表面积，合适的孔径分布以及高的导电性。无定型碳材料具有高的比表面积，但是其导电性较差；而石墨烯虽然同时具有优异的导电性和高比表积并没有充分的发挥出来。

开发高效但低成本的超级电容器材料是可持续能源转化技术的关键。在此，铁镍硫化物超薄纳米薄片的合成。当被测试为她的电化学性质时，这些纳米薄片在碱性溶液中表现出优异的活性和稳定性，这是一种很有吸引力的替代方法，可以替代珍贵的ru和其他贵金属。

石墨烯能带之间没有间隙，不能像传统半导体的导电性能一样完全控制其导电性。在石墨烯的表面也没有活性官能团，与其他材料(如金属粒子)复合困难，从而阻碍了石墨烯在更广阔领域中的应用。为了改进石墨烯没有能带的缺陷，人们开展了大量关于石墨烯进行功能化的工作目前已经成功的功能化方法有：增加石墨烯表面官能团、制备石墨烯衍生物、化学修饰和元素掺杂等。其中元素掺杂是优化石墨烯化学性质和电子结构的有效途径。其它原子进入石墨烯晶格中，可以有效引入带隙，还可以增加石墨烯的缺陷和反应活性，从而提高性能。据研究发现，氮、氧、硫等元素都可以掺入石墨烯晶格中改变其性能其中向石墨烯中引入氮原子可以火化苯环相邻的碳原子，增强氧化剂的吸附作用和反应活性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种环境友好、制备方法简单，大大的缩短合成时间，便于大规模生产高纯度的feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料及其制备方法。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料的制备方法，具体步骤如下：

第一步：加入氯化镍六水合物、硝酸铁九水合物、尿素、柠檬酸三钠盐二水合物于去离子水中，待其完全溶解转移到水热釜中进行水热反应，待反应结束进行离心，洗涤，干燥，得到fenildh样品；

第二步：将fenildh样品溶解在乙醇中，再加入硫代乙酰胺，待完全溶解后转移到水热釜中进行水热反应，待反应结束后进行离心，洗涤，干燥，得到feni-s样品；

第三步，将feni-s样品和4～6mg/mlrgo水溶液置于石英舟中，然后在管式炉中氮气气氛下煅烧，制备出feni-s@n-rgo纳米片电极材料。

本发明中，第一步中，水热反应温度为140～160℃；水热反应时间为20～30h。

本发明中，第一步中，氯化镍六水合物、硝酸铁九水合物、尿素和柠檬酸三钠盐二水合物的摩尔比为1：(18～21)：(4～6)：(1～3)；氯化镍六水合物和去离子水的投料质量比为1:200～1:2500。

本发明中，第二步中，水热反应温度为110～130℃；水热反应时间为4～8h。

本发明中，第二步中，fenildh、乙醇和硫代乙酰胺的投料质量比为1：(380～450)：(1～2)。

本发明中，第三步中，feni-s样品和rgo的投料质量比为1：8～1:10。

本发明中，第三步中，煅烧温度为300～600℃，煅烧时间为50min～110min。

本发明还提供一种根据上述的制备方法制得的feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料。

本发明中，电化学测试时，将feni-s@n-rgo样品与炭黑、聚四氟乙烯按质量比8:1:1混合均匀压合在泡沫镍片(1cm×1cm)上，在60℃的烘箱中干燥12h制得工作电极。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过两步水热一步煅烧合成feni-s@n-rgo，大大的简化了反应步骤，提高了反应速率和效率，提高了合成产物的一些物理和化学性质。

2、本发明制备的feni-s@n-rgo，产物的分散性更好，没有明显的团簇，这样的结构能够提高物质的电化学性质。

3、本发明制备的feni-s@n-rgo纳米材料电化学性质稳定。

附图说明

图1是实施例1中feni-s@n-rgo5μm下的sem图。

图2是实施例2中feni-s@n-rgo10μm下的sem图。

图3是实施例1中rgo100nm下的tem图。

图4是实施例1中rgo50nm下的tem图。

图5是实施例1中rgo0.5μm下的tem图。

图6是实施例1中rgo200nm下的tem图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

一种feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：首先依次将0.29ml的1mnicl2·6h2o、2.9ml的1mfe(no3)3·9h2o、11.2ml的0.5mch4n2o、4ml的0.1mc6h5na3o7(摩尔比为1：20：5：2)于250ml的烧杯中，并注入160ml去离子水。待其完全溶解转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第一步水热反应，水热反应温度为150℃；水热反应时间为24h。得到的fenildh样品进行离心，水洗三次，烘干。称量80mgfenildh样品，溶解于40ml乙醇中，加入0.1125g的硫代乙酰胺，混合均匀后转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第二次水热反应，水热反应温度为120℃；水热反应时间为6h待反应结束冷却，离心，用乙醇进行三次水洗，在60℃的烘箱中烘干，从而得到feni-s超薄纳米片。将得到80mgfeni-s样品中加入10ml的5mg/ml的rgo水溶液，其中rgo是通过hummer合成(其形貌结构见图3～图6)，将完全混合的溶液放入石英舟，将石英舟置于管式炉中在氮气气氛下进行加热，氮气流速为50ml/min,升温速率为5℃/min，从室温缓慢加热到300℃，碳化时间为50min。将得到的feni-s@n-rgo活性材料(其sme图见图1)充分研磨，与碳黑、聚四氟乙烯按质量比8:1:1混合，搅拌均匀，压合在泡沫镍片(1cm×1cm)上，60℃烘烤12h制得工作电极。

应用实施例1

经辰华chi760e电化学工作站采用循环伏安法和恒流充放电的方法，检测该材料的比电容和循环稳定性的性能，循环伏安法测试，显示了材料具备优异的氧化还原能力。利用电子扫描显微镜(表征该电极材料的表面微观结构)，为超电材料的高比表面积提供了基础。在2mol/lkoh溶液中和在1a/g的电流密度下，循环福安测试选择的电压范围为0-0.6v，有一对氧化还原峰，充放电最高电压为0.4v,测得的电极材料的比电容达到了273.6f/g。

实施例2

一种feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料及其制备方法，包括以下步骤：首先依次将0.29ml的1mnicl2·6h2o、2.9ml的1mfe(no3)3·9h2o、11.2ml的0.5mch4n2o、4ml的0.1mc6h5na3o7(摩尔比为1：20：5：2)于250ml的烧杯中，并注入160ml去离子水。待其完全溶解转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第一步水热反应，水热反应温度为150℃；水热反应时间为24h。得到的fenildh样品进行离心，水洗三次，烘干。称量80mgfenildh样品，溶解于40ml乙醇中，加入0.1125g的硫代乙酰胺，混合均匀后转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第二次水热反应，水热反应温度为120℃，反应时间为6h，待反应结束冷却，离心，用乙醇进行三次水洗，在60℃的烘箱中烘干，从而得到feni-s超薄纳米片。将得到的80mgfeni-s样品中加入10ml的5mg/ml的rgo水溶液，其中rgo是通过hummer合成，将完全混合的溶液放入石英舟，将石英舟置于管式炉中在氮气气氛下进行加热，氮气流速为50ml/min,升温速率为5℃/min，从室温缓慢加热到450℃，碳化时间为80min。将得到的feni-s@n-rgo活性材料(其sme图见图2)充分研磨，与碳黑、聚四氟乙烯按质量比8:1:1混合，搅拌均匀，压合在泡沫镍片(1cm×1cm)上，60℃烘烤12h制得工作电极。

应用实施例2

经辰华chi760e电化学工作站采用循环伏安法和恒流充放电的方法，检测该材料的比电容和循环稳定性的性能，循环伏安法测试，显示了材料具备优异的氧化还原能力。利用电子扫描显微镜(表征该电极材料的表面微观结构)，为超电材料的高比表面积提供了基础。在2mol/lkoh溶液中和在1a/g的电流密度下，本发明电极材料的比电容达到了312.6f/g。

实施例3

一种feni-s@n-rgo纳米片超级电容器电极材料及其制备方法，包括以下步骤：首先依次将0.29ml的1mnicl2·6h2o、2.9ml的1mfe(no3)3·9h2o、11.2ml的0.5mch4n2o、4ml的0.1mc6h5na3o7(摩尔比为1：20：5：2)于250ml的烧杯中，并注入160ml去离子水。待其完全溶解转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第一步水热反应，水热反应温度为150℃；水热反应时间为24h。得到的fenildh样品进行离心，水洗三次，烘干。称量80mgfenildh样品，溶解于40ml乙醇中，加入0.1125g的硫代乙酰胺，混合均匀后转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行第二次水热反应，水热反应温度为120℃，反应时间为6h，待反应结束冷却，离心，用乙醇进行三次水洗，在60℃的烘箱中烘干，从而得到feni-s超薄纳米片。将得到的80mgfeni-s样品中加入10ml的5mg/ml的rgo水溶液，其中rgo是通过hummer合成，将完全混合的溶液放入石英舟，将石英舟置于管式炉中在氮气气氛下进行加热，氮气流速为50ml/min,升温速率为5℃/min，从室温缓慢加热到600℃，碳化时间为110min。将得到的feni-s@n-rgo活性材料充分研磨，与碳黑、聚四氟乙烯按质量比8:1:1混合，搅拌均匀，压合在泡沫镍片(1cm×1cm)上，60℃烘烤12h制得工作电极。

应用实施例3

经辰华chi760e电化学工作站采用循环伏安法和恒流充放电的方法，检测该材料的比电容和循环稳定性的性能，循环伏安法测试，显示了材料具备优异的氧化还原能力。利用电子扫描显微镜(表征该电极材料的表面微观结构)，为超电材料的高比表面积提供了基础。在在2mol/lkoh溶液中和在1a/g的电流密度下，本发明电极材料的比电容达到了297.3f/g。

对比例1

一种feni-sc纳米片超级电容器电极材料及其制备方法，包括以下步骤：首先依次将0.29ml的1mnicl2·6h2o、2.9ml的1mfe(no3)3·9h2o、11.2ml的0.5mch4n2o、4ml的0.1mc6h5na3o7、0.1125g的硫代乙酰胺于250ml的烧杯中，并注入160ml去离子水。待其完全溶解转移到200ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行水热反应，水热反应温度为150℃；水热反应时间为24h。待反应结束冷却，离心，分别用去离子水与乙醇进行清洗，在60℃的烘箱中烘干，从而得到feni-s超薄纳米片。将得到feni-s1样品放入石英舟，将石英舟置于管式炉中在氮气气氛下进行碳烧，氮气流速为50ml/min,升温速率为5℃/min，从室温缓慢加热到450℃，碳化时间为50min。将得到的feni-sc活性材料充分研磨，与碳黑、聚四氟乙烯按质量比8:1:1混合，搅拌均匀，压合在泡沫镍片(1cm×1cm)上，60℃烘烤12h制得工作电极。

应用性能测试

经辰华chi760e电化学工作站采用循环伏安法和恒流充放电的方法，检测该材料的比电容和循环稳定性的性能，循环伏安法测试，显示了材料具备优异的氧化还原能力。利用电子扫描显微镜(表征该电极材料的表面微观结构)，为超电材料的高比表面积提供了基础。在2mol/lkoh溶液中和在1a/g的电流密度下，本发明电极材料的比电容达到了234.2f/g。