[发明专利]一种Ni-Co-S纳米针阵列的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种Ni‑Co‑S纳米针阵列的制备方法，其主要改进点为，将水热反应的时间控制在8h时，水热反应的温度120℃增大到160℃，Ni‑Co‑S纳米片阵列将转变成Ni‑Co‑S纳米针阵列；成功的说明了硫化过程对纳米材料形貌的影响。将制备的Ni‑Co‑S纳米阵列作为自支撑电极，在碱性电解液中通过三电极测试，当电流密度为2mAcm^‑2时比电容高达1.334Fcm^‑1，大电流充放电时比电容保持率可达到80％(电流密度在20mAcm^‑2时)，同时具有极好的导电性。这项研究提供了一种普适的、廉价的生产高性能超级电容器电极的方法，为便携式电子器件的发展提供了一条新思路。

技术领域

本发明涉及一种纳米材料，特别涉及一种Ni-Co-S纳米针阵列的制备方法。

背景技术

目前，具有高的功率密度，快速充放电，良好循环稳定性和环境友好性的电化学超级电容器(ESCs)在储能器件方面引起了高度关注。然而，大多数电化学超级电容器与传统充放电电池相比仍然有着相对较低的能量密度(一般低于10W h kg^-1)。赝电容器作为超级电容器的一种，其储能原理主要是电极材料表面快速可逆的多电子法拉第反应，与双层电容器相比，具有更大的比电容和能量密度。然而电极材料如过渡金属氧化物/氢氧化物和碳材料，本身通常具有低的电导率和比电容，这就阻碍了电化学超级电容器的大规模实际应用。

最近，过渡金属硫化物(TMS)，尤其是硫化镍(Ni₂S₃等)，硫化钴 (Co₉S₈,Co₃S₄等)和立方结构的钴镍硫化物(Co-Ni-S等)与其对应的氧化物相比，由于具有优良的导电性和高的电化学活性被报道为有效的赝电容电极材料。此外，双金属硫化物同时具有镍和钴离子与单金属硫化物(硫化镍、硫化钴)相比可以提供更丰富的氧化还原反应，这就使得其具有更高的比电容性质。这种双金属硫化物可以通过其金属氧化物/氢氧化物前驱体的阴离子交换反应和Kirkendall效应制备获得，最终重构多种可调形貌的纳米结构，如纳米球、纳米线、碳纳米管和纳米片。但是目前为止，过渡金属硫化物电极材料，由于它们的高度依赖于材料表面的法拉第氧化还原反应和大电流密度下迟缓的反应动力，使得其具有低电容保持率和较差的电化学稳定性。因此，先进的赝电容电极材料结构的合理设计不仅可以提高电导率和原子利用率，而且可以有效的缩短电子/离子扩散路径。二维纳米片结构由于结构的各向异性和高的面积体积比,这赋予电子和离子较短的扩散路径。更重要的是，直接在具有导电性基底上(石墨烯、碳纤维、碳纳米管/纳米线、导电聚合物、和泡沫镍等)构建无粘合剂自支撑结构的纳米阵列将有效的促进赝电容的电荷转移和提高电导率。但是，在导电基底上二位纳米片的自聚集和无序排列限制了活性位点的暴露，使其比电容和氧化还原反应的动力学降低。因此，探索合适的功能材料，进一步精细地设计和加工它们的微纳结构和特定的成分，以满足上述前提条件，是十分重要和迫切的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种Ni-Co-S纳米针阵列的制备方法，包括如下步骤：

1)将Co(NO₃)₂·6H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O和C₆H₁₂N₄溶解于甲醇中，形成清晰的溶液，然后将泡沫镍添加到上述溶液中，得混合液；将所述混合液置于高压反应釜中，在温度170～190℃保持11～13h，得负载有Ni-Co前驱体的泡沫镍；

2)将硫代乙酰胺溶解于去离子水中，充分分散后得硫代乙酰胺溶液，将所述负载有Ni-Co前驱体的泡沫镍添加到所述硫代乙酰胺溶液中，在温度140～160℃的条件下保持8～12h,得Ni-Co-S纳米针阵列。

优选的，钴元素和镍元素的物质的量之比为2：1；