[发明专利]硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料及其制备

说明书

本发明提供了一种硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料及其制备。所述的硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料的制备方法，其特征在于，包括：以铋盐和硫盐为前驱体，在氮掺杂碳纳米纤维上原位生长硫化铋纳米颗粒，得到硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料。本发明所制得的氮掺杂碳纳米纤维，提高了碳纤维的比容量，而且大大提升了碳纤维的电导率；本发明所制备的富含缺陷硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料可用作理想的高性能储能材料，可被用于超级电容器领域。

技术领域

本发明属于碳纤维材料技术领域，具体涉及富含缺陷硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor)，又被称为电化学电容器(ElectrochemicalCapacitor)主要由电极材料、电解质、隔膜和集流体组成，其工作原理和性能介于传统物理电容器和化学电源之间，是一种新型储能器件。超级电容器具有比较大的容量，比常规电容大几百倍甚至上千倍。另外，超级电容器的功率密度非常高，与普通化学电池相比具有很大的优势。与此同时，相对于传统电容器而言，其高比电容及比能量也使得超级电容器具有广阔的应用前景。硫铋族化合物(Bi₂X₃，其中X＝O，S，Se)通常被用作电容器电极，因为其具有环境友好性，低成本和自然界含量丰富的诸多优点。例如，硫化铋(Bi₂S₃)具有1.3eV的窄带隙和高介电常数，使其成为超级电容器电极的潜在候选者。然而，硫化铋基电极的储能性能受其电导率低和电化学反应位点数量有限的限制，这是由于其电子转移能力差以及电解质吸附位点数量有限。目前，通过将空位/缺陷引入硫化铋表面是实现使其具有更多的电解质吸附的活性位点，更快的电荷转移能力的有效途径。

碳材料，作为最早应用于超级电容器电极的活性材料之一，包括碳纳米纤维、碳纳米管、活性炭等各种多孔碳材料用作超级电容器电极材料的研究都有报道，碳材料具有较高的比电容，循环寿命长，资源丰富且结构多样，成本低，一直都是超级电容器领域尤为活跃的研究方向。静电纺丝是另一种成熟且低成本的技术，纳米纤维可以被控制并且容易地定制(例如纳米纤维直径，表面形态)。通过使用易于控制的碳化工艺，可以获得维护良好的三维碳纳米纤维网络作为用于Bi₂S₃纳米颗粒的均匀分散的模板。它可以赋予Bi₂S₃纳米颗粒显着的电互连和机械完整性作为新型杂化膜，导致增强的导电性和用于超级电容器中可使用的高性能自立式电极的多个活性位点。此外，掺杂元素(如氮，硫，磷和氧原子)的杂原子可以调节sp3碳的原子尺度缺陷，以获得更好的碳纳米纤维和Bi₂S₃纳米颗粒之间的界面连接，从而获得更高的界面电荷转移速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、环保、制备成本低廉的缺陷硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的目的是提供一种硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料的制备方法，其特征在于，包括：以铋盐和硫盐为前驱体，在氮掺杂碳纳米纤维上原位生长硫化铋纳米颗粒，得到硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料。

优选地，所述的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法包括：通过静电纺丝技术制备前驱体氮掺杂聚丙烯腈纳米纤维；将氮掺杂聚丙烯腈纳米纤维预氧化；将预氧化的氮掺杂聚丙烯腈纳米纤维碳化，得到氮掺杂碳纳米纤维。

优选地，所述的以铋盐和硫盐为前驱体，在氮掺杂碳纳米纤维上原位生长硫化铋纳米颗粒的方法包括：将氮掺杂碳纳米纤维、铋盐和硫盐分散于溶剂中，得到含有氮掺杂碳纳米纤维、铋盐和硫盐的分散液，进行水热或溶剂热反应，得到硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料，得到硫化铋纳米颗粒/氮掺杂碳纳米纤维杂化材料。