[发明专利]一种五硫化九铜/氧化铁复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种五硫化九铜/氧化铁复合电极材料及其制备方法，本发明通过对比硫化铜和硫化铁的溶度积常数K_sp的显著区别，即铜离子和亚铁离子共存的情况下优先形成硫化铜，在专门配制的醋酸铜、醋酸亚铁和硫脲、乙二醇和水的混合反应溶液中，通过控制反应的条件，一步得到五硫化九铜和三氧化二铁的复合物。其化学式表示为Cu₉S₅/Fe₂O₃，其结构为30‑70nm左右的微球形。该材料比表面积大，在14.03‑14.62m²g^‑1，因此有利于电解质与电化学活性组分充分接触具有优良的超电容性能，涂覆在集流体上可以作为超级电容器电极材料。有望在超级电容器乃至其它储能器件的电极材料中具有广泛的应用价值。

技术领域：

本发明涉及一种金属硫化物/金属氧化物复合电极材料及其制备方法，具体涉及五硫化九铜/氧化铁复合电极材料及其制备方法。

背景技术：

在过去的很长一段时间中，为了满足人口快速增长和全球变暖所带来的能量需求，大力发展可持续能源和强大的能量存储器件越来越多地受到人们的广泛关注。在能量存储器件中，由于具有高能量密度，快速充放电速度以及较好的循环稳定性，使得超级电容器在补偿甚至替代电池这一方面的前景越来越明显。为了获得理想的能量密度，根据E＝1/2CV²，我们需要考虑到两个方面：电容(C)和电压窗口(V)。因此，构造具有高电容和宽电压窗口的电极材料至关重要。在最近十年的研究中，我们发现性能优秀的正极材料已经有了很多的研究，但是相比而言，负极材料严重受限于很低的电容，难以和正极匹配。基于这样的缺点，我们希望能够制造出一种性能良好的负极材料来解决这一致命缺点。

基于储能机理，可以将超级电容器分为两种类型，一是电化学双电层机理，另一种是赝电容机理。传统的电化学双电层机理通过表面离子吸附/脱附储能，而赝电容是通过在电极表面发生氧化还原反应进行储能的，因此通过赝电容机理储能可以储存更多的电荷。一般而言，赝电容材料包括过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属硫化物以及导电聚合物，例如Fe₂O₃，Co₃O₄，NiMn LDH，PANI，Cu₉S₅等。

在这些过渡金属氧化物材料中，因为Fe₂O₃成本低、晶体结构稳定、存在多种用于可逆氧化还原反应的氧化态，并且理论容量高等优点，储量丰富的Fe₂O₃被认为是一种最有前景的电极材料之一。但是Fe₂O₃导电性差导致反应缓慢极大的限制了其在储能领域中的应用。经过研究人员的不懈努力，通过设计新颖的Fe₂O₃电极材料可以在一定程度上解决这个问题，包括构造特殊纳米结构的Fe₂O₃以及Fe₂O₃复合材料。在这些方法中，构造Fe₂O₃基的复合电极材料是一种可以大幅度提升Fe₂O₃导电性和容量的方法。

文献Electrochimica Acta,2021,381,138245，通过两步反应构造出海胆状的Fe₂O₃/Mxene超级电容器负极材料，但是所获得的比电容不高，在1A/g时只有486.3F/g，这就限制了这一材料的应用。

文献ACS Appl.Mater.Interfaces,2015,7(49),27518-25，成功的构造了Fe₃O₄@Fe₂O₃核壳纳米棒阵列，并取得了1206F/cm²的大电容值，但是其经过了两步复杂的结构化过程，最终材料的导电性却不高。