[发明专利]一种纳米材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种纳米材料及其制备方法与应用，该纳米材料以泡沫镍为载体，以CuCo₂S₄为核，以PVP插入式的分层CoFeMn‑PVP‑LDH材料为壳。制备方法为先采用原位生长法在泡沫镍上制备Co‑MOF材料，再对Co‑MOF材料通过电沉积法制备带有CuCo₂S₄的泡沫镍，然后将CuCo₂S₄作为壳，在其表面制备分层PVP插入式的CoFeMn‑PVP‑LDH材料作为壳。可将该纳米材料应用于超级电容器技术领域。与现有技术相比，本发明纳米材料性能优异，原料价格低廉，制备方法简单且环境友好，便于大规模生产。

技术领域

本发明涉及电化学和纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

现今的研究人员对可持续和环保能源存储的进展表现出了迫切的研究兴趣，由于超级电容器(SC)具有快速的充放电特性，高功率密度，优异的安全性和长循环寿命。因此被认为是最有前途的能量存储装置。

金属有机框架(MOF)被广泛应用于各种领域，如：太阳能电池，锂离子电池，SC，传感器和生物传感器等。这是因为它们具有高度结晶结构的独特特性和化学多样性。由于其配体与金属中心的多样性，我们可以调节金属和配体从而得到类型多样的MOF材料。MOF作为新型多孔材料与传统多孔材料相比，具有孔径可调节、大的比表面积、活性位点丰富等优点。但是，由于MOF骨架结构具有较差的热稳定性和化学稳定性。这个缺点极大地限制了MOF在工业环境中的应用，为了解决这一缺点，利用MOF作为牺牲模板或前驱体引起了研究者们的关注。在MOF的框架中，有机组分和无机组分在一定的距离上呈现周期性地排列，在转化反应中，能产生结构和化学成分明确的材料。由于组成MOF的金属离子/团簇和有机配体种类繁多，根据前驱体MOF和转化条件的不同可以发生多种化学反应。

过渡金属硫化物(TMSs)种类繁多，具有诸多独特的物理、化学性质，被认为是最具潜力的电极材料。首先，过渡金属硫化物的电化学反应机制多为转换机制，部分过渡金属硫化物在发生转换反应的基础上，还可以进一步发生合金化反应，因而过渡金属硫化物具有更高的理论比容量。其次，过渡金属硫化物中的M-S键相比于过渡金属氧化物中的M-O或过渡金属氟化物中的M-F键更弱，这也使得材料的可逆性更好，库伦效率更高。此外，过渡金属硫化物还具有原材料廉价易得、形貌可控以及环境友好等优点。但是，过渡金属硫化物仍然面临着转换机制类材料的共性问题，对过渡金属硫化物的微观结构进行调控是至关重要的。这些微观结构调控方法主要包括设计含碳材料的高导电性复合材料、减小材料颗粒尺寸、形貌控制、化学掺杂、结构缺陷和表面包覆或者封装设计等。

发明专利CN110428976A公开了一种Cu-Co-S-MOF纳米片的制备方法及其应用，该方法包括以下步骤：S1：将硝酸钴六水合物溶于去离子水中，得到溶液A，将2-甲基咪唑溶于去离子水中，得到溶液B，混合溶液A与溶液B，之后加入清洁的泡沫镍进行反应，得到带有Co-MOF的泡沫镍；S2：将硝酸铜六水合物、硝酸钴六水合物溶解于异丙醇中，溶解后得到混合溶液C，向混合溶液C中加入二硫化碳和五甲基二乙烯三胺，得到混合溶液D；S3：将带有Co-MOF的泡沫镍加入混合溶液D中，并转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后得到Cu-Co-S-MOF纳米片。该发明制备方法环境友好，制备方法工序简单，便于大规模生产，获得的Cu-Co-S-MOF纳米片应用于电极材料时可取得较为优异的电化学性能。但是，其电荷转移速率、活性位点仍需要进一步提升，这对用于超级电容器上的材料的电化学性能有着显著的影响，也是电容器的核心技术。因此，能源电极材料的结构设计显得至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米材料及其制备方法与应用，具有规整的微观结构和较高的电荷转移速率。