一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备和应用
【专利摘要】本发明涉及一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备和应用，所述复合材料以三维网状的氮掺杂碳纳米纤维为基底，硫化钴镍纳米颗粒负载在氮掺杂碳纳米纤维表面；制备：首先通过酸性溶液氧化法制备聚吡咯/细菌纤维素复合材料，然后将其在管式炉中高温碳化制得氮掺杂碳纳米纤维，再通过水热法在氮掺杂碳纳米纤维表面原位生长硫化钴镍纳米颗粒，即得。作为超级电容器电极材料的应用；本发明制备的复合材料中，硫化钴镍纳米颗粒均匀地负载于氮掺杂碳纳米纤维表面，有效抑制了硫化钴镍纳米颗粒的团聚，并充分利用了细菌纤维素独特的三维网络结构，具有电容量高、制备过程环保、成本低廉等特点。
【专利说明】
一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备和应用
技术领域
[0001]本发明属于过渡金属硫族化合物-碳材料及其制备和应用领域，特别涉及一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备和应用。
【背景技术】
[0002]细菌纤维素是一种通过微生物发酵过程产生的天然纤维，不同于一些复杂设备和大型工厂需求的合成纤维，它具有价格低廉、机械强度高、来源丰富等优势。细菌纤维素的多孔结构和纳米级的孔径分布使其比表面大、孔隙率高，尤其是高温碳化后的纳米级碳纤维表面具有许多有效的反应活性位点，可作为一种良好的模板用于具有特定形貌或尺寸的纳米材料的可控合成。因此，这些特殊性质使其在能量转换与储存、电子传感器、高分子纳米复合材料等领域都具有极为广阔的应用前景，成为碳纳米材料领域中的研究热点之一。
[0003]导电聚合物(如聚吡咯)具有较高的导电性、良好的稳定性、可逆的氧化还原性、合成简便、无毒等特点，在电容器、电池、光电器件中有很好的应用前景。
[0004]硫化钴镍是一类典型的过渡金属硫族化合物，与同族的氧化钴镍相比，其导电性是氧化钴镍的100倍，电化学活性高于氧化钴镍，因此是一种理想的超级电容器电极材料。但是，硫化钴镍易于团聚，显著地抑制了其活性边缘的暴露，且在氧化还原反应过程中易发生严重的体积膨胀和收缩，导致其循环性能下降。因此，将硫化钴镍与其它高导电性的基底材料高效复合，获得兼具高活性和长循环寿命的复合电极材料具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备和应用，本发明所制备的氮掺杂碳纳米纤维具有化学性质稳定、导电性高、比表面积大等优点；本发明制备的复合材料中，硫化钴镍纳米颗粒均匀地负载于氮掺杂碳纳米纤维表面，有效抑制了硫化钴镍纳米颗粒的团聚，并充分利用了细菌纤维素独特的三维网络结构，具有电容量高、制备过程环保、成本低廉等特点。
[0006]本发明的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，所述复合材料以三维网状的氮掺杂碳纳米纤维为基底，硫化钴镍纳米颗粒负载在氮掺杂碳纳米纤维表面，负载量为:45-55% (质量百分比)。
[0007]本发明的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括:
[0008](I)将细菌纤维素膜剪切，然后分散于去离子水中，然后逐滴加入氢氧化钠至溶液显中性，取出呈中性的细菌纤维素后，冷却，冷冻干燥；
[0009](2)将冷冻干燥后的细菌纤维素分散于盐酸中，同时加入吡咯，浸泡，得到细菌纤维素分散液，然后将三氯化铁酸性溶液逐滴加入到细菌纤维素分散液中，0-5 °C条件下搅拌反应8_12h，得到聚吡咯/细菌纤维素复合材料，然后将将聚吡咯/细菌纤维素复合材料从溶液中分离出来，洗涤，冷冻干燥，然后在管式炉中高温碳化得到氮掺杂碳纳米纤维材料;其中细菌纤维素分散液中细菌纤维素、盐酸、吡咯的比例为300-500mg: 200-400mL: 0.5_lg;三氯化铁与吡咯的浓度比为I: I (lmol/L);
[0010](3)将硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺溶于去离子水中，得到混合溶液(水热反应溶液)，然后与氮掺杂碳纳米纤维材料进行水热反应，洗涤，干燥，即得硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料;其中混合溶液中硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺的摩尔比为2:1:10:10。
[0011]步骤(I)中细菌纤维素膜剪切为4X 5cm2，然后取40-50片4 X 5cm2大小的细菌纤维素分散于500mL去离子水中；氢氧化钠的浓度为Imol L^10
[0012]所述步骤(I)中冷却为液氮冷却;冷冻干燥为:放入冷冻干燥机中，冷冻干燥时间12?4811，优选24-3011。
[0013]所述步骤(2)中盐酸的浓度为0.5?1.5mol L—1，优选0.9?I.Imol L—1。
[0014]所述步骤(2)中浸泡时间为8-12h。
[0015]所述步骤(2)中三氯化铁酸性溶液为:三氯化铁溶于盐酸溶液中，得到三氯化铁酸性溶液，三氯化铁酸性溶液的浓度为0.025mol L—1。
[0016]所述步骤(2)中搅拌反应优选0_3°C，反应9-10h。
[0017]所述步骤(2)中碳化为氩气气氛中碳化，温度为700-800°C，优选740-760°C，时间为4-5小时，优选4小时。
[0018]所述步骤(3)中混合溶液中硝酸钴的浓度为30-50mmolL一、
[00?9 ] 所述步骤(3)中氮掺杂碳纳米纤维、混合溶液的比例为15-40mg: 35_40mL。
[0020]所述步骤(3)中水热反应温度为150-190°C，时间为5-18h，优选温度为155-165°C。
[0021]步骤(3)中在反应溶液中加入六亚甲基四胺，可促使硫化钴镍纳米颗粒复合到氮掺杂纳米碳纤维上。
[0022]本发明的一种如权利要求1所述的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的应用，其特征在于:硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料作为超级电容器电极材料的应用。
[0023]本发明所提供的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，是由六水合硝酸钴、六水合硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺通过一步水热法在氮掺杂碳纳米纤维表面原位生长硫化钴镍纳米颗粒制备得到；其制备原料组成包括:吡咯、细菌纤维素、硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺。
[0024]本发明通过酸性溶液氧化法制备聚吡咯/细菌纤维素复合材料，然后将其在管式炉中高温碳化制得氮掺杂碳纳米纤维，再通过水热法在氮掺杂碳纳米纤维表面原位生长硫化钴镍纳米颗粒。
[0025]本发明通过简单的工艺设计，制备得到一种新型硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料:氮掺杂碳纳米纤维具有很好的导电性，其三维网状的纳米结构有利于电解质进入，能显著增加电容器的倍率性能;硫化钴镍颗粒在氮掺杂碳纳米纤维表面的均匀生长，可增加硫化钻银活性位点的暴露，极大提尚材料的电容量。因此，将两者进彳丁有效复合可以实现其良好的协同作用，以制备出性能优异的复合电极材料。
[0026]使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和循环伏安曲线(CV)来表征本发明所获得的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的结构形貌和电化学性能，其结果如下:
[0027](I)SEM测试结果表明:氮掺杂碳纳米纤维的直径约为30nm，硫化钴镍纳米颗粒直径约为15nm，硫化钴镍纳米颗粒均勾地负载在氮掺杂碳纳米纤维的表面，较好地抑制了硫化钴镍自身的团聚问题。
[0028](3)XRD测试结果表明:氮掺杂碳纳米纤维在2Θ = 24.1°有一个较宽的衍射峰;硫化钴镍在2Θ = 16.3° ,26.8° ,31.6° ,38.3° ,47.4°，50.5°和55.3°的衍射峰分别对应于立方晶型硫化钴镍的(I 11)，( 2 20)，( 311)，( 400)，( 42 2)，( 511)和(440)晶面。所制备的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料显示出了硫化钴镍的特征峰，说明硫化钴镍纳米颗粒已成功负载于氮掺杂碳纳米纤维表面。
[0029 ] (4)从CV曲线可以看出一对氧化还原峰，说明制备的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料具有赝电容特性。同时，在5Α g—1电流密度下测试硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的循环稳定性，结果表明所制备的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料在5000圈循环后的电容量仍高达918.5F g一、
[0030] 有益效果
[0031 ] (I)本发明制备过程简单，易于操作，是一种有效快捷的制备方法；
[0032](2)本发明选择的基底是氮掺杂碳纳米纤维，其独特的三维网状结构提高了基底的表面积，并且提供了更多的位点供硫化钴镍纳米颗粒的生长;氮掺杂碳纳米纤维具有优异的导电性，其三维交织网状结构有利于氧化还原过程中电极材料内部的电子以及离子的快速传输，从而进一步提尚电极材料的电容量；
[0033](3)本发明通过简单的水热方法实现了氮掺杂碳纳米纤维与硫化钴镍的复合，使得两者的优势得以充分发挥，从而构建了具有优异性能的复合材料;本发明制备的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，有望作为一种理想的超级电容器电极材料。
【附图说明】
[0034]图1为实施例1中聚吡咯/细菌纤维素复合材料(a)和硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料(b)的SEM图；
[0035]图2为硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料(NiCo2S4/CBC_N)、纯的硫化钴镍(NiCo2S4)和氮掺杂碳纳米纤维(CBC-N)的XRD图谱；
[0036]图3是实施例1中硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的CV曲线；
[0037]图4是实施例1中硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的循环稳定性。
【具体实施方式】
[0038]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0039]实施例1
[0040](I)将细菌纤维素膜切成4 X 5cm2大小，取出50片4 X 5cm2大小的细菌纤维素分散于500mL去离子水中，配制浓度为lmol L—1的氢氧化钾溶液，然后逐滴加入到上述分散液中至溶液显中性；
[0041 ] (2)将呈中性的细菌纤维素取出，放入液氮冷却后置于冷冻干燥机冷冻干燥24小时；
[0042](3)称取500mg冷冻干燥后的细菌纤维素，分散于400mL、lmol L—1的盐酸中，同时加入0.67g吡咯，浸泡12h;
[0043](4)另称取1.62g三氯化铁，溶于400mL lmol L—1的盐酸中；
[0044](5)将上述三氯化铁酸性溶液逐滴加入到细菌纤维素分散液中，随后在低温(0-3°C)环境下搅拌反应8小时，即得到聚吡咯/细菌纤维素复合材料；
[0045](6)然后将其从溶液中分离出来，多次洗涤后放入冻干机中冷冻干燥I Oh;
[0046](7)将冷冻干燥后的聚吡咯/细菌纤维素复合材料在管式炉中于750°C高温碳化，碳化4小时，得到氮掺杂碳纳米纤维材料；
[0047](8)硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺按摩尔比为2:1:10:10配得水热反应溶液，其中硝酸钴的浓度为33.3mmol Γ1；
[0048](9)将制备得到的氮掺杂碳纳米纤维材料与上述反应溶液(氮掺杂细菌纤维素20毫克，反应混合溶液40毫升)在160°C水热反应12h，制备得到硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料；
[0049](10)将制备得到的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料用去离子水和乙醇反复洗涤多次，然后干燥，备用。
[0050]实施例2
[°°511将细菌纤维素膜切成4 X 5cm2大小，取出50片4 X 5cm2大小的细菌纤维素分散于500mL去离子水中，配制浓度为lmol L—1的氢氧化钾溶液，然后逐滴加入到上述分散液中至溶液显中性；
[0052](2)将呈中性的细菌纤维素取出，放入液氮冷却后置于冷冻干燥机冷冻干燥24小时；
[°°53] (3)称取500mg冷冻干燥后的细菌纤维素，分散于400mL、lmol L—1的盐酸中，同时加入0.67g吡咯，浸泡12h;
[0054](4)另称取1.62g三氯化铁，溶于400mL lmol L—1的盐酸中；
[0055](5)将上述三氯化铁酸性溶液逐滴加入到细菌纤维素分散液中，随后在低温(0-3°C)环境下搅拌反应10小时，即得到聚吡咯/细菌纤维素复合材料；
[0056](6)然后将其从溶液中分离出来，多次洗涤后放入冻干机中冷冻干燥I Oh;
[0057](7)将冷冻干燥后的聚吡咯/细菌纤维素复合材料在管式炉中于750°C高温碳化四小时，得到氮掺杂碳纳米纤维材料；
[0058](8)硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺按摩尔比为2:1:10:10配得水热反应溶液，其中硝酸钴的浓度为35mmol Γ1；
[0059](9)将制备得到的氮掺杂碳纳米纤维材料与上述反应溶液(氮掺杂细菌纤维素20毫克，反应混合溶液40毫升)在160°C水热反应12h，制备得到硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料；
[0060](10)将制备得到的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料用去离子水和乙醇反复洗涤多次，然后干燥，备用。
[0061 ] 实施例3
[0062]将细菌纤维素膜切成4 X 5cm2大小，取出50片4 X 5cm2大小的细菌纤维素分散于500mL去离子水中，配制浓度为lmol L—1的氢氧化钾溶液，然后逐滴加入到上述分散液中至溶液显中性；
[0063](2)将呈中性的细菌纤维素取出，放入液氮冷却后置于冷冻干燥机冷冻干燥24小时；
[0064](3)称取500mg冷冻干燥后的细菌纤维素，分散于400mL、lmol L—1的盐酸中，同时加入0.67g吡咯，浸泡12h;
[0065](4)另称取1.62g三氯化铁，溶于400mL lmol L—1的盐酸中；
[0066](5)将上述三氯化铁酸性溶液逐滴加入到细菌纤维素分散液中，随后在低温(0-3°c)环境下搅拌反应10小时，即得到聚吡咯/细菌纤维素复合材料；
[0067](6)然后将其从溶液中分离出来，多次洗涤后放入冻干机中冷冻干燥I Oh;
[0068](7)将冷冻干燥后的聚吡咯/细菌纤维素复合材料在管式炉中于800°C高温碳化四小时，得到氮掺杂碳纳米纤维材料；
[0069](8)硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺按摩尔比为2:1:10:10配得水热反应溶液，其中硝酸钴的浓度为33.3mmol Γ1；
[0070](9)将制备得到的氮掺杂碳纳米纤维材料与上述反应溶液(氮掺杂细菌纤维素20毫克，反应混合溶液40毫升)在160°C水热反应12h，制备得到硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料；
[0071](10)将制备得到的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料用去离子水和乙醇反复洗涤多次，然后干燥，备用。
【主权项】
1.一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，其特征在于:所述复合材料以三维网状的氮掺杂碳纳米纤维为基底，硫化钴镍纳米颗粒负载在氮掺杂碳纳米纤维表面，负载量为:45.0-55.0% ο2.—种如权利要求1所述的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括: (1)将细菌纤维素膜剪切，然后分散于去离子水中，然后逐滴加入氢氧化钠至溶液显中性，取出细菌纤维素后，冷却，冷冻干燥； (2)将冷冻干燥后的细菌纤维素分散于盐酸中，同时加入吡咯，浸泡，得到细菌纤维素分散液，然后将三氯化铁酸性溶液逐滴加入到细菌纤维素分散液中，0-5 °C条件下搅拌反应8-12h，分离，洗涤，冷冻干燥，碳化得到氮掺杂碳纳米纤维材料;其中细菌纤维素分散液中细菌纤维素、盐酸、吡咯的比例为300-500mg:200-400mL:0.5-lg;三氯化铁与吡咯的摩尔浓度比为1:1; (3)将硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺溶于去离子水中，得到混合溶液，然后与氮掺杂碳纳米纤维材料进行水热反应，洗涤，干燥，即得硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料;其中混合溶液中硝酸钴、硝酸镍、硫脲和六亚甲基四胺的摩尔比为2:1:10:10。3.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中细菌纤维素膜剪切为4 X 5cm2，然后取40-50片4 X 5cm2大小的细菌纤维素分散于500mL去离子水中；氢氧化钠的浓度为Imol L^104.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中盐酸的浓度为0.5?1.5moI L一1。5.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中浸泡时间为8-12h。6.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中三氯化铁酸性溶液为:三氯化铁溶于盐酸溶液中，得到三氯化铁酸性溶液，三氯化铁酸性溶液的浓度为0.025mol L—1。7.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中碳化为氩气气氛中碳化，温度为700-800°C，时间为4-5小时。8.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中混合溶液中硝酸钴的浓度为30-50mmoI L一1。9.根据权利要求2所述的一种硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中水热反应温度为150-190 0C，时间为5-18h。10.—种如权利要求1所述的硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的应用，其特征在于:硫化钴镍/氮掺杂碳纳米纤维复合材料作为超级电容器电极材料的应用。
【文档编号】H01G11/36GK106098404SQ201610710948
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】刘天西, 宁学良, 缪月娥, 周宇, 王开, 李斐
【申请人】东华大学