[发明专利]氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩/MnS复合材料及其电极的制备方法

说明书

本发明提供了一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩/MnS复合材料及其电极的制备方法。利用碳纤维骨架的高孔隙率和大比表面积，提高了电解质与电极之间的浸润性；将聚吡咯接枝到碳纤维上并复合硫化锰，克服了单一碳基材料比电容低的缺点，大大提高了电极材料的比电容。氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩/MnS复合材料作为超级电容器的电极材料，具有制备工艺稳定、成本低、无污染等特点，具有很好的商业化前景。

技术领域

本发明涉及一种氮硫共掺杂碳纤维接枝聚噻吩/MnS复合材料及其电极的制备方法，属于复合材料和电化学领域。

背景技术

随着人类社会的快速发展，以煤、石油等不可再生资源的快速枯竭，能源短缺成为成为人类急需解决的问题。开发可再生资源成为科学家研究的热点。可再生资源的存储成为可再生资源问题的关键。超级电容器兼具有电池和传统电容器的优点，具有功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、能量密度大、充放电速率快、效率高、免维护、绿色环保等优点，已广泛应用于国防装备、通信原件、新能源汽车等领域。

超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、壳体等材料组成，而影响超级电容器性能的关键因素为电极的选择。目前超级电容器的电极材料大致可分为三类：碳基材料、导电聚合物和过渡金属化合物。碳基材料虽然具有较大的比表面积和良好的导电性，但是具有较小的比电容。导电聚合物和过渡金属化合物电极具有可以通过快速可逆的氧化还原反应来储存能量，从而获得较高的比电容和能量密度。但是导电聚合物电极易发生较大的收缩和膨胀，导致其循环稳定性较差。而对于过渡金属化合物来说，尽管也有一些缺点(如导电性差)，但其能提供比传统碳材料更高的能量密度，比聚合物材料更好的电化学稳定性。因此，过渡金属化合物成为目前研究最多的一类超级电容器电极材料。然而如何进一步提高过渡金属化合物的比电容，成为研究的热点。

Yang等人以碱式碳酸镍钴(NiCo-CH)纳米纤维和石墨烯为基本单元，采用原位化学转化法，成功构筑了边缘高活性镍钴硫化物(Ni-Co-S)耦合石墨烯的二维复合材料Ni-Co-S/G。由于边缘位Ni-Co-S具有更高的电化学活性和强吸附电解液离子的能力，Ni-Co-S/G表现出较高的比电容(1492F/g)和优异倍率特性(Yang J,et al.,Electroactive edgesite-enriched nickel-cobalt sulfide into graphene frameworks for high-performance asymmetric supercapacitors.Energy Environ.Sci.,2016,9,1299-1307)。Zeng等人将CoS纳米线负载到NiCoS₄纳米片上制备壳核结构CoS纳米线@NiCoS₄纳米阵列。在电流密度为5mA/cm²时，该电极的实际电容为7.62F/cm²(Zeng W,et al.,Construction ofhierarchical CoS nanowire@NiCo₂S₄ nanosheet arrays via one-step ion exchangefor high-performance supercapacitors.J Mater.Chem.A,2015,3,4033-24040)。Zheng等人通过水热合成法将NiCo₂S₄负载到聚苯胺(Ppy)上得到NiCo₂S₄@Ppy壳核结构，该材料的比表面积为217m²/g，当电流密度为1A/g时，材料的比电容高达908.1F/g(Zheng Y,et al.,Decoration NiCo₂S₄ nanoflakes onto Ppy nanotubes as core-shell heterostructurematerial for high-performance asymmetric supercapacitor,Chem.Eng.J,2018,333,111-121.)。虽然以上方法在一定程度上提高了金属硫化物的额定容量和电化学稳定性，但如何进一步提高其额定容量、电化学稳定性、分散性依然成为目前科学研究的热点。