[发明专利]一种多孔碳负载硒化钴镍双功能电极材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳负载硒化钴镍双功能电极材料的制备方法与应用，以三维碳骨架为基底材料，将钴镍双金属盐与碳骨架通过水热反应，得到均匀生长的Ni‑Co前驱体，经过退火工艺和进一步水热硒化制备得到多孔碳负载硒化钴镍复合材料，可作为钠离子电池和超级电容器用自支撑电极材料。本发明制备的电极材料形貌均一，避免了硒化钴镍团聚的问题，增加了氧化还原活性位点，提供了足够的电子/离子传输通道，有效提高了钠离子电池和超级电容器的电化学性能。该方法所用原料成分稳定，工艺操作简单，反应时间短，重复性高，产物结构容易控制。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种多孔碳负载硒化钴镍双功能电极材料的制备方法与应用。

背景技术

近年来，过渡金属硫族化合物由于其理论容量大、价态多样的特点，已成为钠离子电池(SIBs)和超级电容器(SCs)中的石墨双功能电极材料的可行替代品[EnergyStor.Mater.2020,31,252.；Chem.Eng.J.2019,370,1008.]。从理论上讲，相较金属氧化物和金属硫化物，过渡金属硒化物具有更高的离子扩散动力学(1×10^-5S•m^-1)和更高的电极电导率(1×10^-3S•m^-1)，这有利于在SIBs和SCs中稳定可靠地工作。此外，由于钠的枝晶问题在低电压范围内不会发生，金属硒化可以降低电池的潜在安全隐患。因此，这些都促使了对硒基双功能电极材料的不断探索和研究,例如CoSe₂[Adv.EnergyMater.2019,9,1901778.]、NiSe₂[Adv.EnergyMater.2019,9,1803035.]、NiCo₂Se₄[Adv.Funct.Mater.2019,29,1903842.]、Fe₂CoSe₄[Adv.Mater.2018,e1802745.]等。

与单金属中心相比，双金属硒化物的研究相对较少，并日益受到人们的青睐。在双金属电活性中心共存的情况下，这些双金属硒化物具有较低的能带能，本质上具有更好的导电性，更丰富的多电子氧化还原反应，以及更好的电化学活性。更值得注意的是，由于Ni、Co和Se的轨道重叠，它们之间的镍钴硒化物具有更稳定的共价相互作用。Co₂NiSe₄表现出较好的电化学活性，表现出良好的电化学性能。然而，相关的研究还相对较少，并且NiCo₂Se₄作为转换型双功能电极材料面临着电导率低，离子/电子运输动力学缓慢，循环稳定性低的问题，阻碍了实际应用[Chem.Eng.J.2019,364,320.]。

为了克服上述限制，构建有序纳米阵列结构的活性物质在氮掺杂分级多孔碳上省略了繁琐的电极制备过程，同时保证电解质离子的沾湿性，供应足够的离子传输渠道，增加氧化还原位点的曝光，避免团聚[Small.2019,15,e1803895；EnergyStor.Mater.2020,31,252.]。根据以往的报道，构建一维纳米结构阵列为电子/离子的传输提供了更有效的途径。二维结构可以为离子提供方便的传输通道，从而具有高离子电导率，而且由于其超离子传导特性而具有定向扩散特性，也可以降低离子在超快离子输运过程中的迁移势垒[Small.2019,15,e1901995.]。如果将一维结构或二维结构双金属硒化物与氮掺杂多孔碳合理组装成三维纳米结构可以有效地综合了多组分效应和结构优势的优点。例如，双金属硒化物和N掺杂可以提高电化学活性和电导率，多孔碳基底可以增加氧化还原活性中心的暴露，保证电解液和电极的充分接触，为电子/离子提供充足的传输通道，并在充放电过程中稳定电极结构，防止金属硒化物在转化反应过程中因体积变化而造成的电极粉化的后果。