铁离子掺杂的CoS2/MXene异质结构复合材料的制备方法
文献发布时间:2023-06-19 19:16:40
技术领域
本发明涉及CoS
背景技术
近几年随着科技的快速发展,对高性能电子器件的需求越来越多,而超级电容器因其高的功率密度和良好的稳定性而受到广泛关注。
MXene是一组二维(2D)材料,由于其出色的导电性、大表面积和丰富的成分多样性,已被证明在能量存储和转换方面具有巨大潜力。通常制备MXene复合材料采用的是一步水热法将金属氢氧化物沉积在MXene纳米片上生成层状金属氢氧化物/MXene。
申请号为202011579306.9的中国专利《铝离子电池及其正极材料CoxSy@MXene》公开了一种铝离子电池及其正极材料CoxSy@MXene,该正极材料为在MXene基体材料上原位生长微纳米钴硫化物制成,所述微纳米钴硫化物为CoxSy,其中的x>0,y>0,所述微纳米钴硫化物的质量占所述正极材料总质量的5%~95%。提高纳米微纳米钴硫化物的分散性,细化晶粒,提高导电性,但将该材料用于电容器领域时,电容器的比电容较低。
发明内容
本发明是要解决现有的Co
本发明的铁离子掺杂的CoS
一、MXene纳米片的制备:
a、按20mL 9M的HCl中加入1g氟化镍的比例,将9M的HCl与氟化镍混合搅拌20~40分钟,得到混合溶液;
b、将钛碳化铝加入到混合溶液中,加热至35~45℃并保持85~95小时;
c、将产物先用1M HCl在离心洗涤,弃去上清液,再将沉淀物用去离子水离心洗涤至上清液的pH值达到6~7,弃去上清液,再将沉淀物加入到去离子水中,在氮气下并保持温度为5~15℃的条件下超声处理50~70分钟,最后再离心处理,弃去上层悬浊液,将沉淀物冷冻干燥,得到MXene纳米片粉末;
二、铁掺杂的金属氢氧化物/MXene复合材料的制备:
a、将MXene纳米片粉末加入水中先超声20~30分钟,然后依次加入氟化铵、尿素、七水硫酸钴和七水硫酸亚铁,混合均匀后,得到前驱液;
b、将前驱液转移至特氟龙高压釜中,加热至100~140℃并保持3~6小时后取出;
c、将产物用依次用乙醇和去离子水离心清洗干净,然后冷冻干燥,得到铁掺杂的金属氢氧化物/MXene复合材料,记为Fe-CoOOH/MXene;
三、铁离子掺杂的CoS
将Fe-CoOOH/MXene与硫粉分别放在瓷舟的两端,再将瓷舟放入管式炉中,在氮气气氛下加热至300~400℃并保持1~3h进行退火,得到铁离子掺杂的CoS
更进一步地,步骤二a中,MXene纳米片粉末的质量与水的体积的比为1g:(550~650)mL。
更进一步地,步骤二a中,MXene纳米片粉末与七水硫酸钴的质量比为1:(4~6)。
更进一步地,步骤二a中,七水硫酸钴、七水硫酸亚铁、氟化铵与尿素的摩尔比为1:(0.05~0.1):(2~2.5):(5~5.5)。
更进一步地,步骤二c中,离心清洗是在转速为10000~11000rpm的条件下离心处理10~15分钟;离心清洗4~7次。
更进一步地,步骤二c中,冷冻干燥是放在温度为-55℃、真空度为10~100Pa的真空干燥箱中冷冻干燥20~26小时。
本发明通过氟化镍刻蚀的MXene纳米片,并将其与金属化合物进行一步水热反应生成金属氧化物/MXene复合材料,之后在高温下与硫粉反应生成铁离子掺杂的CoS
本发明利用掺杂的Fe元素能够产生晶格扭曲并调节带隙、降低电子跃迁能垒,同时利用硫元素提高材料的氧化还原反应动力学性能,从而改善CoOOH/MXene的比电容和倍率性能。本发明的铁离子掺杂的CoS
附图说明
图1是实施例1经步骤一得到的MXene的扫描电镜照片;
图2是实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene的扫描电镜照片;
图3是实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
图4是实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene与经步骤三得到的Fe-CoS
图5是实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene与经步骤三得到的Fe-CoS
图6是实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
图7是实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
图8是对比实施例2制备的CoS
图9是对比实施例2制备的CoS
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果。
实施例1:本实施例的铁离子掺杂的CoS
一、MXene纳米片的制备:
a、向20mL 9M的HCl中加入1g氟化镍,混合搅拌30分钟,得到混合溶液;
b、将1g钛碳化铝加入到混合溶液中,加热至40℃并保持90小时;
c、将产物先用1M HCl在3500rpm下离心6分钟,弃去上清液,再将沉淀物用去离子水在3500rpm离心洗涤6分钟,共离心洗涤6次,此时上清液的pH值达到6,弃去上清液,再将沉淀物加入到30mL去离子水中,在氮气下并保持温度为8℃的条件下超声处理60分钟,最后再将混合液在3500rpm转速条件下离心60分钟后,弃去上层悬浊液,将沉淀物放入冷冻干燥机中,在温度为-55℃、真空度为10Pa的条件下冷冻干燥1天,得到MXene纳米片粉末;
二、铁掺杂的金属氢氧化物/MXene复合材料Fe-CoOOH/MXene的制备:
a、将50mg MXene纳米片粉末加入30mL去离子水中先超声25分钟,然后依次加入0.074g氟化铵、0.3g尿素、0.267g七水硫酸钴和0.0139g七水硫酸亚铁,混和搅拌15分钟后,再超声处理15分钟,得到前驱液;
b、将前驱液转移至特氟龙高压釜中,加热至120℃并保持4小时后取出;
c、将产物用依次用乙醇和去离子水在10000rpm下各离心3次,每次12分钟,然后放入冷冻干燥机中,在温度为-55℃、真空度为10Pa的条件下的冷冻干燥1天,得到铁掺杂的金属氢氧化物/MXene复合材料,记为Fe-CoOOH/MXene;
三、铁离子掺杂的CoS
将60mg Fe-CoOOH/MXene与180mg硫粉放在瓷舟的两端,再将瓷舟放进管式炉中,以5℃min
对比实施例2:本对比实施例与实施例1的区别为不掺杂铁元素,本对比实施例与实施例1不同的是步骤二a中不加七水硫酸亚铁,其他步骤与参数与实施例1相同,得到不掺杂铁元素的CoS
本实施例1经步骤一得到的MXene的扫描电镜照片如图1所示,从图1可以看出MXene为层状物,层间有一定的层间距。
本实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene的扫描电镜照片如图2所示,从图2可以看出,水热之后的Fe-CoOOH/MXene呈片状堆积分布。
本实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
本实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene与经步骤三得到的Fe-CoS
本实施例1经步骤二得到的Fe-CoOOH/MXene与经步骤三得到的Fe-CoS
本实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
本实施例1经步骤三得到的Fe-CoS
对比实施例2制备的不掺杂铁元素的CoS
对比实施例3:本对比例与实施例1相比,区别是掺铁离子的量过低,其制备步骤与参数与实施例1不同的是步骤二a的操作用下面的操作替换:a、将50mg MXene纳米片粉末加入30mL去离子水中先超声25分钟,然后依次加入0.074g氟化铵、0.3g尿素、0.267g七水硫酸钴和0.0070g七水硫酸亚铁,混和搅拌15分钟后,再超声处理15分钟,得到前驱液。其它步骤与参数与实施例1相同,得到掺杂铁离子较低的掺杂铁离子的CoS
对比实施例4:本对比例与实施例1相比,区别是掺铁离子的量过高,其制备步骤与参数与实施例1不同的是步骤二a的操作用下面的操作替换:将50mg MXene纳米片粉末加入30mL去离子水中先超声25分钟,然后依次加入0.074g氟化铵、0.3g尿素、0.267g七水硫酸钴和0.0525g七水硫酸亚铁,混和搅拌15分钟后,再超声处理15分钟,得到前驱液。其它步骤与参数与实施例1相同,得到掺杂铁离子较高的掺杂铁离子的CoS
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