一种具有岛状异质结构的电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用

本发明涉及一种具有岛状异质结构的电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用，属于超级电容器用电极材料及其制备。

背景技术：

1、超级电容器因其高功率密度、稳定性和环保性等优势，被公认为是下一代储能设备的理想候选者。然而，其低能量密度仍然是商业应用不可逾越的瓶颈。

2、电极材料内电子和离子的快速转移是决定超级电容器储能能力的关键。在各种选择中，层状双氢氧化物(ldh)因其可控的二维层状结构和足够大的层间空间而具有快速的离子传输速率。此外，ldh还具有较高的理论电荷存储容量和出色的化学稳定性，在过去十年中备受关注。然而，ldh在能量存储方面的应用存在两个明显的局限性，即导电性差和活性位点有限。为了解决这些问题，人们提出了几种策略，如掺杂金属离子、与碳基复合以及构建异质结构。值得注意的是，异质结构不仅能改善ldh的导电性，还能提供额外的活性位点，从而提高超级电容器的能量密度。

3、异质结可以协同结合各种材料的优势，从而表现出比单个电极更高的电化学活性。当两种半导体接触时，异质结界面上会出现自发的电荷再分布，直到这些材料的费米级达到平衡。在电荷转移过程中，界面附近两个元件的导带和价带将以特定形式弯曲，从而产生总的带弯曲，这被定义为内置电场(bief)。内置电场的存在会使激发的电子和空穴分布在不同的成分中，阻止电子和空穴的重组，从而产生良好的氧化还原反应和增强的电子导电性。此外，电荷的重新分布会使界面附近的一些本征电中性成分电离，变成带正电或负电的成分，从而成为电化学反应的活性位点，储存更多的电能。然而传统的核壳结构和共混结构的异质界面主要埋藏在材料内部，离子需要克服更多的扩散障碍才能进入和跨越异质界面，导致了较差的吸附能力和反应动力学。同时，二次生长或沉积方法形成的异质结构(核壳结构和分层结构)往往由于晶格不匹配而导致界面相互作用较弱，难以实现紧密、稳定的接触，使得电极材料在使用过程中容易失活。基于此，提供一种通过原位反应既保留nico-ldh的层状结构的同时，又在其表面形成异质结构的电极制备方法是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有二次生长或沉积方法形成的异质结构较大的离子扩散障碍和晶格失配带来的界面效应的问题，提供一种具有岛状异质结构的电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用，具体的通过原位反应，在保留nico-ldh的层状结构的同时，将coni2s4嵌入到nico-ldh纳米片表面，从而制备岛状异质结构。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种具有岛状异质结构的电极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤一，将蒲棒中白色绒毛浸泡在酒精溶液中，浸泡完成后洗涤干燥，再进行预处理，预处理完成后转移至管式炉中，在惰性气体保护下，进行高温碳化处理，得到空心管状生物质碳；

5、步骤二，将步骤一获得的生物质碳放入混合酸中，加热搅拌处理后，过滤，将沉淀物加入含有ni(no3)26h2o、co(no3)26h2o和尿素的无水甲醇中，进行水热反应，反应结束后，洗涤，干燥，得到nico-ldh/bc；

6、步骤三，将nico-ldh/bc加入到含有taa的乙醇溶液中，进行水热反应，反应结束后，洗涤，干燥，得到具有岛状异质结构coni2s4@nico-ldh/bc。

7、进一步限定，步骤一中预处理条件为：以1-5℃/min的升温速率，将温度升至250-300℃，并保温1-3h。

8、更进一步限定，步骤一中预处理条件为：以1℃/min的升温速率，将温度升至300℃，并保温1h。

9、进一步限定，步骤一中高温碳化处理条件为：以1-10℃/min的升温速率，将温度升至800-1000℃，并保温1h。

10、更进一步限定，步骤一中高温碳化处理条件为：以5℃/min的升温速率，将温度升至900℃，并保温1h。

11、进一步限定，步骤一中惰性气体为氩气。

12、进一步限定，步骤二中混合酸由硝酸和硫酸混合而成。

13、更进一步限定，步骤二中混合酸由硝酸和硫酸按照体积比为3：1混合而成。

14、进一步限定，步骤二中ni(no3)26h2o、co(no3)26h2o、尿素和无水甲醇的用量比为0.6-1.0mmol：0.3-0.5mmol：4mmol：40ml。

15、更进一步限定，步骤二中ni(no3)26h2o、co(no3)26h2o、尿素和无水甲醇的用量比为0.8mmol：0.4mmol：4mmol：40ml。

16、进一步限定，步骤二中加热搅拌温度为70℃，时间为12h。

17、进一步限定，步骤二中水热反应温度为120-180℃，时间为6-15h。

18、更进一步限定，步骤二中水热反应温度为120℃，时间为12h。

19、进一步限定，步骤二中干燥温度为60℃，时间为12h。

20、进一步限定，步骤三中nico-ldh/bc、taa和乙醇的用量比为100mg：20-100mg：30ml。

21、更进一步限定，步骤三中nico-ldh/bc、taa和乙醇的用量比为100mg：20mg：30ml。

22、更进一步限定，步骤三中nico-ldh/bc、taa和乙醇的用量比为100mg：40mg：30ml。

23、更进一步限定，步骤三中nico-ldh/bc、taa和乙醇的用量比为100mg：60mg：30ml。

24、更进一步限定，步骤三中nico-ldh/bc、taa和乙醇的用量比为100mg：80mg：30ml。

25、进一步限定，步骤三中水热反应温度为100-150℃，时间为4h。

26、更进一步限定，步骤三中水热反应温度为120℃，时间为4h。

27、进一步限定，步骤三中干燥温度为60℃，时间为12h。

28、本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制备得到的具有岛状异质结构的电极材料。

29、本发明的目的之三是提供一种上述电极材料的应用，具体的作为制备超级电容器的电极材料使用。

30、本发明有益效果：

31、本发明先以空心管状的生物质碳作为基底材料，以改善nico-ldh的团聚现象，其次通过缺陷诱导控制硫化过程，构建了具有岛状异质结构的coni2s4@nico-ldh/bc电极材料。其中，异质结构优化了材料的电子结构，建立了内置电场，而且界面的ii型能带排列，可以有效地提高氧化还原反应活性。同时，岛状结构暴露的异质界面可以将异质结构的优势最大化，起到改善电子导电性并促进离子的吸附作用。并且原位合成的方法可以避免异质结构外延机制带来的负面影响，有效的缓解nico-ldh相变过程中的体积膨胀，提高电极材料的循环寿命。实验结果表明：coni2s4@nico-ldh/bc具有1655.75c g-1的高比容量。组装后的器件coni2s4@nico-ldh/bc//ac在功率密度为866.61w kg-1下，展现了高达95.57wh kg-1的能量密度，并且即使在功率为17.53w kg-1时，依然保有61.44wh kg-1的能量密度，并在10000次循环后，容量保留率可达到初始状态的95.16％。