[发明专利]一种二硫化锡-硫化镍核壳异质多孔纳米墙阵列结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种导电基底负载的二硫化锡‑硫化镍核壳异质多孔纳米墙阵列结构及其制备方法，属于新能源材料制备技术领域。在本产品中，构成纳米墙的纳米片内部是二硫化锡，壳层为均匀包覆的多孔硫化镍，且纳米墙垂直于导电基底形成均匀阵列结构。本发明产品的合成方法，首先通过溶剂热法制备出导电基底负载的二硫化锡纳米片阵列结构；然后以此为模板，以氯化镍作为镍源，在二次溶剂热过程中在二硫化锡表面均匀生长出多孔硫化镍薄层；最终获得所述产品。本方法原材料简单易得、设备和制备过程简单、工艺参数可控性强、产品收率高、生产过程清洁环保、易实现规模化生产；所述纳米结构密度大、产量大、纯度高、形貌可控，电化学储能性能优异。

技术领域

本发明涉及一种导电基底负载的二硫化锡-硫化镍核壳异质多孔纳米墙阵列结构及其制备方法，属于新能源材料制备技术领域。

背景技术

自上世纪90年代初第一颗商用锂离子电池生产出来后，对于可充电设备的研究一直吸引着人们的关注。经过近三十年的研究发展，锂离子电池的各方面性能都得到了大幅度的提升，其中一些产品已经运用到了汽车、飞机等大功率设备中。在锂离子电池的研究基础上，研究人员还发展出了很多更加安全且低成本的新型储能系统，例如钠、钾、镁、锌等廉价金属离子电池、金属-空气电池和超级电容器等。其中，超级电容器由于具有充电速度快、功率密度高、使用寿命长、可集成性高和廉价安全等优点，被称为最具价值的下一代新型电化学储能系统。

无论是哪种储能器件，其中的电极材料是决定整个器件性能的关键。因此，大量的研究都集中于开发各种性能优异的电极材料。在所有已经报道的储能材料当中，硫化镍材料备受瞩目。硫化镍(Ni_xS_y)材料不仅储量丰富、价格低廉且易于制备，同时还具有优异的导电性和电化学活性，这些都是作为高性能电极材料不可或缺的特点。因此，硫化镍材料在离子电池和超级电容器当中都有广泛的运用。尤其在超级电容器中，由于镍基化合物在碱性水溶液中会和OH^-发生类电池型的可逆氧化还原反应，因此具有极高的理论储电量。然而，在实际运用中，硫化镍的储电量远远小于其理论值，且循环性能较差。究其原因，主要有以下两点：(1)一般方法合成出的硫化镍材料大多为立方相和菱方相，其形貌也多为大颗粒或者不规则的团聚结构，这使得电极材料的比表面积低，不能有效暴露活性位点来参与氧化还原反应，所以导致储电量低；(2)在充放电过程中，硫化镍的表面以及内部均会发生剧烈的氧化还原反应，同时还伴随着相变发生，因此其原始的形貌和结构难以得到保持；随着充放电次数的增加材料会发生溶解、团聚或坍塌，所以导致循环性能差。

为了解决这些问题，研究人员提出了多种方案。例如：(1)可以将硫化镍材料制备成具有较大比表面积的纳米结构，如纳米线、纳米片等，以及多孔纳米结构，可以显著增加比容量。(2)将这些具有特殊纳米结构的硫化镍生长在三维的导电基底上形成阵列结构，不仅可以进一步的提升活性物质的使用率，还能有效地防止硫化镍在循环过程中由于剧烈反应而导致的团聚或形貌坍塌；同时，这种三维多级结构还能构筑大量的离子、电子传输通道，有助于提升快速充放电性能。(3)将硫化镍材料与其他半导体材料结合形成异质结构，能引入内建电场加速电荷的传递，提升倍率性能，同时还能利用电荷调制作用提升硫化镍的氧化还原活性(Li et al.,High Performance Electrochemical Capacitor MaterialsFocusing on Nickel Based Materials.Inorganic Chemistry Frontiers,2016,3(2):175-202)。虽然这些改进方案均能有效提升硫化镍的电化学储能性能，然而目前基于硫化镍材料的储能器件性能还是难以满足实际的应用需求，亟待开发其他简单有效的方案。