[发明专利]一种碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料合成和电化学技术领域，涉及一种可用于超级电容器电极材料的碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料的制备方法，包括以下步骤：碳布的活化、在碳布上合成八硫化九钴、用恒电位法将吡咯聚合在八硫化九钴的表面，并对碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料进行恒电流充放电测试及循环稳定性测试；本发明提出的碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料的制备方法简单易行，该复合材料用于超级电容器电极时，具有较高的比电容和较好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料合成和电化学技术领域，具体涉及一种碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球温室气体水平的增加，对于能够提供可持续和绿色环保的解决方案来满足我们对能源的需求迫在眉睫。在所有关于能量储存和转换的系统中，超级电容器起着非常重要的作用，它与常规的电容器相比，具有更大的能量密度和快速充放电速率，长的循环寿命，高倍率性能和更宽的工作温度范围。根据电荷存储原理，超级电容器通常分为两类：即电化学双层电容器和赝电容器。前者通过可逆的离子吸附在电极表面以静电方式储存电荷，通常采用表面积较大的碳材料作为电极材料；而赝电容器的电容来源于界面上的快速可逆的氧化还原反应过程，通常采用过渡金属氧化物、硫化物、氢氧化物及导电聚合物作为电极材料。

近年来，过渡金属硫化物引起了人们对储能装置的极大兴趣，因为与氧化物相比，它们具有更丰富的表面氧化能力，这确保了金属硫化物在能量储存和转化反应中具有更高的活性。八硫化九钴作为一种典型的过渡金属硫化物，具有许多优于其他电极材料的优点，包括相对较高的理论容量、良好的导电性和优异的热稳定性。近年来，各种金属硫化物纳米结构被报道，并显示出优异的电化学性能，如Co₃S₄多面体、Co₉S₈纳米管阵列、Ni₃S₄@Co₉S₈空心壳层结构和Co₉S₈纳米片。由于它们具有特殊微纳米结构，所以比普通形貌的电极材料具有更高的电化学性能。它们同时还具有相对较大的表面积、丰富的反应位点和短的快速充电和放电路径。

导电聚合物具有良好的导电性和快速充放电的能力，然而它们相对较低的机械稳定性和循环寿命限制了它们在赝电容器中的应用。因此需要提供一种新的复合材料，使其同时具备良好的导电性及较高的机械强度和稳定性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料及其制备方法和应用，该复合材料可用于超级电容器电极材料。由于碳布具有良好的导电性和化学稳定性，以及良好的机械强度和柔韧性，非常适合作为柔性电极材料的基质。在碳布表面生长八硫化九钴纳米片后再在其表面通过电化学聚合吡咯，得到的复合材料的电化学性能得到显著提升。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种可用于超级电容器电极材料的碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料，碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料为在碳布表面生长的金属有机框架ZIF-67进行衍生，形成片状的八硫化九钴，再利用电化学聚合的方法将吡咯聚合在八硫化九钴的表面，得到碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料。

进一步的，所述碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料以2θ衍射角表示的X射线粉末衍射图谱在15.17°±0.2°，29.75°±0.2°，31.15°±0.2°，39.72°±0.2°，52.12°±0.2°处出现衍射峰。

第二方面，本发明还提供一种碳布/八硫化九钴/聚吡咯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将六水合硝酸钴和2-甲基咪唑分别溶解于超纯水中，超声至溶液澄清透明后，将上述两种溶液快速混合，放入活化后的碳布，静置后取出碳布用无水乙醇、超纯水反复洗涤，烘干，得到生长在碳布表面的金属有机框架ZIF-67；