[发明专利]生物质多孔碳限域负载过渡金属硫化物电极材料制备方法

说明书

本发明涉及一种用于超级电容器的生物质多孔碳限域负载硫化物电极材料制备方法，该生物质多孔碳限域负载硫化物电极材料是将过渡金属的可溶性盐通过负压蒸发的模式吸附到生物质多孔碳的孔道内，随后将上述多孔碳浸入到含硫溶液中，在多孔碳孔道内沉积硫化物种晶，再将孔道内沉积有金属硫化物种晶的多孔碳材料再次置入到可溶性金属盐溶液中，加入硫源，得到多孔碳限域负载金属硫化物电极材料。本发明生物质多孔碳限域负载硫化物电极材料应用在超级电容器，能有效加快电子传输和离子扩散，电流密度为1 A g^‑1时，其比电容可达809 F g^‑1，远高于双电层的多孔碳材料。

技术领域

本发明涉及一种用于超级电容器的生物质多孔碳限域负载过渡金属硫化物电极材料制备方法，具体属于新能源电极材料技术领域。

技术背景

目前，环境和能源问题日益严峻，传统燃油汽车环境污染严重，能源消耗大，引起人们越来越多的关注和担忧。超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有比传统电容器高得多的能量密度和比锂电池大得多的功率密度，集高能量密度、高安全性、长寿命等优点于一身。这些突出的特性使得超级电容器被视为本世纪最有希望的新型绿色能源。

超级电容器的性能与电极材料、电解液及其使用的隔膜有关，而电极材料是其中最主要的因素。根据储能机理的不同，超电容电极材料主要分为双电层电容和法拉第赝电容两类。双电层电容的原理是基于材料表面可逆的静电吸附过程，使得电荷吸附在高导电和高比表面积的活性物质表面进行储能。双电层电容具备快速的能量储存和释放能力，因而拥有较高的功率密度；同时可以实现上百万次的充放电循环。双电层电极材料主要为多孔碳材料，包括石墨烯、碳纳米管、介孔碳、活性炭等等。其中，基于其来源广泛，原料价格低廉、比表面积高等优点，生物质料多孔碳是一种理想的超级电容器电极材料。由于多孔碳材料本身特征的限制，如高孔隙率使得堆积密度不高，比电容并不随着比表面积线性增加，以及发达的微孔孔道不能全部被电解液离子所利用等，单纯的多孔碳材料仍难在比电容上有突破性的提高。目前所报道的生物质多孔碳材料的比电容值通常介于200～300F g^-1，由其组装的超级电容器比能量一般在5～10Wh kg^-1，比传统电池(例如：铅酸电池35～45Wh kg^-1、镍氢电池50～80Wh kg^-1、锂离子电池170～200Wh kg^-1)的能量密度小很多。低能量密度造成了每瓦时能量的价格高，不利于大规模储能应用。

相比双电层型的多孔碳材料，法拉第赝电容型电极材料常常由于其表面发生了一系列快速、可逆的电子转换反应，通过电解液中吸附的离子的表面氧化还原反应来实现，通常具有更高的能量密度，其比电容高达2000-3000F g^-1。最近的研究表明，过渡金属硫化物以其独特的物理化学，如导电率、机械和热稳定性以及可循环性成为非常有前景的超级电容器电极的备选材料。然而，由于自身较低的导电率以及氧化还原过程中材料可能存在的体积变化，单纯的过渡金属硫化物仍面临电容保持率低、循环寿命差的问题，这都严重限制了过渡金属硫化物在超级电容器中的应用。为了提升过渡金属硫化物作为电极材料的电化学性能，研究者们做了大量工作。其中，将过渡金属硫化物尺度微纳化并将其负载在导电多孔碳材料基体表面被认为是最有效的办法。例如，将纳米过渡金属硫化物负载到层状前体法制备的石墨烯表面，或制备过渡金属硫化物/介孔碳复合材料，或将碳嵌入到多孔的过渡金属硫化物中等。这些办法虽然能有效提升过渡金属硫化物的电化学性能，但由于石墨烯、介孔碳较高的价格以及大多数过渡金属硫化物未能和导电基体有很好的接触，导致所制备的过渡金属硫化物/多孔碳复合材料的电化学性能仍难以满足高性能超级电容器的要求。为此，本专利克服以上不足，将具有高赝电容的过渡金属硫化物限域负载在生物质多孔碳的孔道内制备纳米复合电极材料将能有效提高超级电容器的能量密度。