[发明专利]一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料及其制备方法和应用。本发明采用一步水热法制备了原位负载在氮掺杂有序介孔碳上的镍钴硫化物，得到了均匀分散、高稳定性的镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料。镍钴硫化物与氮掺杂有序介孔碳之间存在强的相互作用和镶嵌结构使得碳层和镍钴硫化物之间产生协同效应，优势相互结合，缺陷相互减弱，同时发挥双电层电容和赝电容储能特性，制备出了具有高比容量、优异倍率性和循环稳定性的核壳异质结构电极材料。该核壳异质结构电极材料用于超级电容器电极时综合性能优异，且具有制备工艺安全、简单、环保和成本低等优点，有望在超级电容器领域拥有广泛的应用。

技术领域

本发明涉及一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料及其制备方法和应用，属于超级电容器正极材料技术领域。

背景技术

能源的高效开发、储存及利用是当代和未来人类社会生存的必然趋势。随着现代电子产品小型化、移动化的发展和普及，体积小、重量轻、高能量密度、快速充放电的高性能储能设备成为迫切的需求。 超级电容器已经引起了人们广泛的兴趣和应用，因为它可以提供较高的功率密度和较长的循环寿命。超级电容器的能量密度较低，研究和开发能够快速充放电并且有高能量密度和功率密度的超级电容器显得十分重要，其中电极材料是制约超级电容器电化学性能的关键因素之一。

镍钴硫化物作为超级电容器电极材料，因其具有较好的机械性和热稳定性及丰富的氧化还原反应使其电容性能优于其它电极材料。但在实际应用中镍钴硫化物只有表面及近表面部分参与氧化还原反应，一部分内部的化合物没有参与反应，较低的电极活性物质利用率导致其偏离比电容理论值。当电极材料变成纳米级别后，具有高比面积、快速的离子传输速率和电化学反应时离子进出材料高度自由的体积变化;另一方面，制备分层异质结构可以提供更大的比表面积，更高的面负载量。

因此，综合上述问题生产制备出一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构材料是本领域技术人员急需解决的电极材料问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料的制备方法，该方法制备的镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料孔道清晰、负载量大、电化学性能优异。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料，所述核壳异质结构纳米棒材料是在氮掺杂有序介孔碳表面负载一层镍钴硫化物。以蔗糖多羟基化合物为碳源，氨水为氮源，通过水热条件下的氨基化反应制备富氮前驱体;采用硅基介孔分子筛SBA-15为模板，通过纳米铸型和高温热解技术制备氮掺杂有序介孔碳。将氮掺杂有序介孔碳加入到含有镍盐钴盐和硫盐的混合溶液中，在水热反应釜中反应，经抽滤、水洗和干燥制得。

优选地，所述蔗糖和氨水之间的质量比为（5~10）: 14;所述可溶性镍盐、钴盐和硫盐关系范围值质量比为1:2:4,所述可溶性镍盐为氯化镍、硝酸镍、硫酸镍或乙酰丙酮合镍；所述可溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、硫酸钴或乙酰丙酮合钴;所述可溶性硫盐为硫尿、硫代乙酰胺和硫代硫酸钠。

所述的镍钴硫化物/氮掺杂有序介孔碳核壳异质结构纳米棒材料的制备方法，包括以下具体步骤:

第一步，将蔗糖加入到氨水中，磁力搅拌，将均匀混合液转移到聚四氟乙烯反应釜，将反应釜密封并放置在鼓风干燥箱，在150~180℃条件下反应后，抽滤干燥，得到蔗糖胺粉末。

第二步，将SBA-15介孔分子筛中加入蔗糖胺和乙醇的混合溶液，磁力搅拌，超声后，在真空干燥箱中干燥得到氮掺杂介孔碳前驱体。

第三步，将氮掺杂介孔碳前驱体移入到管式炉中在氮气环境下煅烧，冷却至常温；用HF去除模板，抽滤、洗涤和干燥，即得到氮掺杂有序介孔碳。