[发明专利]一种形貌可调Ce2

说明书

本发明属于功能材料及其制备技术领域，提供了一种形貌可调Ce₂O₂S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用，包括如下步骤：S1、制备Ce(CO₃)₂O·H₂O/含硫碳布前驱体；S2、制备Ce₂O₂S纳米结构/碳布，最终在碳布表面生长出Ce₂O₂S纳米结构；制备出一种形貌可调Ce₂O₂S纳米结构/碳布复合材料，该复合材料作为电极材料用于超级电容器中或离子电池。本发明制得的产物纯度高，组成与形貌可控，可直接用作电极材料；且工艺简单、容易操作、成本低廉、生产过程清洁、环保。

技术领域

本发明属于功能材料及其制备技术领域，具体涉及一种形貌可调Ce₂O₂S纳米结构/碳布复合材料及制备方法、应用。

背景技术

与传统的储能器件相比，超级电容器由于具有能够快速充放电、功率密度高、循环寿命长、安全可靠等优点，被广泛应用在人们的生活中。而电极材料是影响超级电容器性能的重要因素，现在最常用的超级电容器电极材料主要包括以多孔碳、碳纳米管、石墨烯等为代表的碳材料、导电高分子聚合物以及过渡金属氧化物。碳材料通常在各种电解质中都具有较高的电导率和出色的化学稳定性，但是，其理论比电容有限，面积比电容低；而导电高分子聚合物能够提供相当高的比电容，并且可以在较宽的电位范围内工作，却存在循环过程中由于溶胀/收缩导致的稳定性问题；同样，过渡金属氧化物具有比碳质材料和导电聚合物更高的比电容，但其本身固有的导电性差以及缓慢的离子传输动力学问题会严重影响表面氧化还原反应，导致其组装的超级电容器表现出低的功率密度。因此，开发具有高比电容、良好循环稳定性以及高功率密度和能量密度的超级电容器电极材料仍是该领域的研究热点。

近年来，金属硫氧化物作为一类新兴的储能材料引起了研究者们的广泛关注，相比于金属氧化物，其具有更好的导电性，有利于电子传输，而且相较于金属硫化物而言，其具有更好的化学稳定性及氧化还原反应活性；另一方面，构建具有高比表面积及丰富介孔的纳米电极材料，其高的比表面积可以为电化学反应提供了更多的活性位点，介孔结构可以缩短电解质离子的扩散路径，促进电子和离子迁移传输，从而大大提高了电极材料的电化学性能。由于Ce³⁺/Ce⁴⁺混合价态的存在，稀土元素铈形成的化合物(如CeO₂)通常会具有高的氧化还原反应活性，被认为是极具潜力的超级电容器电极材料。但CeO₂弱的导电性，导致其实际比电容远远低于其理论电容，且倍率性能也很差。而Ce₂O₂S的电导率比CeO₂高，Ce₂O₂S纳米材料被用作锂离子电池电极材料时，表现出优异的电化学储能性能。然而，由于Ce₂O₂S纳米材料的可控合成存在一定难度，目前尚未见Ce₂O₂S纳米材料用于超级电容器的报道。所以，探索简单易行的合成方法以实现具有高比表面积及介孔结构的Ce₂O₂S纳米材料的可控制备十分必要。

另外，传统的超级电容器工作电极制作是将粉末状活性电极材料与导电剂、粘结剂混合后涂覆在集流体表面，形成工作电极，其在充放电过程中活性物质容易从集流体表面脱落，从而导致其实际循环寿命大大降低。将活性电极材料直接生长在高导电性集流体表面，不仅可以直接用作工作电极以解决上述问题，还能避免因为粘结剂存而对电极导电性产生的负面影响，从而提高电极的电化学性能。而碳布是常见的高导电性基底，而且相比于金属集流体，不仅成本低廉，而且具有良好的机械柔韧性，有利于在柔性可穿戴电子器件中的应用。故直接在碳布表面生长Ce₂O₂S纳米材料构建Ce₂O₂S纳米材料/碳布复合电极材料对于实际应用具有重要意义。