CN103601232A - 一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法及电容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：（1）、称取氯化铜、单质硫和氢氧化钾放入反应容器中，所述氯化铜、单质硫和氢氧化钾的摩尔比为1:0.5:50；（2）、向上述反应容器中加入等体积的无水乙醇和水合肼，密封；（3）、将密封好的反应容器置入能恒温控制的加热设备中进行加热，加热温度120-240℃，加热时间10-48h；（4）、加热完毕后，将反应容器取出，冷却至室温，将产物取出清洗后得到四硫七铜一钾纳米线。本发明还涉及用该种材料作为电极的电容器。

Description

一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法及电容器

技术领域

本发明涉及电极材料合成领域，具体地说，特别涉及一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法，本发明还涉及由该种四硫七铜一钾纳米线作为电极的电容器。

背景技术

目前，能源短缺和环境问题日益严重，为了能够确保经济可持续增长，有利的能源供应体系，开发新能源材料和新能源存储系统已经成为世界性的研究热点之一。随着科技的发展和信息社会的到来，各种计算机有关的电子设备，医疗设备及家用电器的逐步普及，对高性能存储器备用电源的需求越来越迫切。这些储能装置除了对能量密度有一定要求外，对功率密度的要求也越来越高。然而，目前的电池受技术和成本的限制，如短的循环寿命，较慢的充放电，较低的能量率密和功率密度；传统的静电电容器也因能量密度过低而不能满足需求。因此，迫切需要高功率性的储能装置以满足当前特殊应用领域的需求。近来，电化学电容器成为人们的研究热点，电化学电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能器件，具有比传统电容器更高的能量密度和比二次电池更高的功率密度，而且具有较高的循环寿命。众所周知，纳米半导体材料与其块体材料相比，由于它们具有较大的比表面积和尺寸，在能量收集和能量存储应用中具有潜在的优势。此外，适当的纳米结构电极可以提高它的功率密度和循环稳定性。到目前为止，各种赝电容器电极材料中，水合二氧化钌具有最佳的性能，然而，它成本太高，阻碍了其在实际应用中的应用。从电极材料的角度，有效的策略是利用纳米结构材料，它既可降低电容器的成本，而且具有潜在的高性能。最好的解决方案是将赝电容器电极材料与低成本和潜在的高性能纳米材料组合成混合电化学电容器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作成本低，导电性好、电化学性能好的四硫七铜一钾纳米线的制备方法，本发明还涉及由该种材料作为电极的电容器。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：

（1）、称取氯化铜、单质硫和氢氧化钾放入反应容器中，所述氯化铜、单质硫和氢氧化钾的摩尔比为1:0.5:50；

（2）、向上述反应容器中加入等体积的无水乙醇和水合肼，密封；

（3）、将密封好的反应容器置入能恒温控制的加热设备中进行加热，加热温度120-240℃，加热时间10-48h；

（4）、加热完毕后，将反应容器取出，冷却至室温，将产物取出清洗后得到四硫七铜一钾纳米线。

本发明合成的四硫七铜一钾纳米线在室温下是半导体材料，它的结构包含一维[Cu₄S₄]柱，且在镜像平面垂直于c轴。在铜的位置有四分之一的空位，因此它具有较高的电导率。在室温下，导电路径也主要沿c轴方向。同时由于晶格是由三维的钾—铜—硫框架组成，其中钾离子驻留在准一维通道中，因而四硫七铜一钾纳米线的电化学性能非常好。所以四硫七铜一钾可广泛应用于超大电容器的材料。

其次，本发明所采用的原料为廉价的单质硫和氯化铜，而且为一步合成，即原料和反应溶剂一次加入反应器后置入恒温加热设备内加温反应，合成过程中可控参数较少，合成成本低，反应条件温和，操作步骤简单。

作为优选：所述氯化铜、单质硫、氢氧化钾、无水乙醇和水合肼的比例为1mol：0.5mol：50mol：1.8-2.2L:1.8-2.2L。

所述步骤（1）中：所述反应容器由耐高温高压、耐酸碱的材料制成。在上述技术方案中：所述反应容器为特氟龙管。

所述步骤（2）中：所述加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。

所述步骤（4）中：所述反应容器自然冷却或用水冷至室温；所述产物用去离子水和无水乙醇超声清洗，然后自然晾干或热烘干得到产品。

本发明的另一目的是这样实现的：一种电容器，其特征在于：采用权利要求1中制备的四硫七铜一钾纳米线作为电极。

具体说：所述电极的制备按照如下步骤完成：

（1）将四硫七铜一钾纳米线在8-15MPa的大气压下压成薄膜，并将四硫七铜一钾纳米线薄膜固定在炭块上；

（2）在两片四硫七铜一钾纳米线薄膜上分别镀上不同质量的锰纳米颗粒层；

（3）将两块载有锰-四硫七铜一钾的炭块在聚乙烯醇—氯化锂电解液中浸泡1—20分钟；

（4)将两块载有锰-四硫七铜一钾的炭块对接，且两者之间用隔膜分开，制成电极。本发明将锰与低成本和潜在的高性能纳米材料组合成混合电化学电容器。四硫七铜一钾纳米线在室温下是半导体材料，有较高的电导率，它作为电容器的电极，具有良好的电容特性，能量密度和功率密度大，循环寿命长，制作成本低。

有益效果：本发明所采用的原料为廉价的单质硫和氯化铜，而且为一步合成，即原料和反应溶剂一次加入反应器后置入恒温炉内加温反应，合成过程中可控参数较少，合成成本低，反应条件温和，操作步骤简单。四硫七铜一钾纳米线在室温下是半导体材料，有较高的电导率，且具有良好的电容特性，能量密度和功率密度大，循环寿命长，可以广泛运用于超大电容器领域。

附图说明

图1是本发明方法制备的四硫七铜一钾纳米线的XRD图；

图2（a)(b)(c)分别代表本发明实施例1在三种不同温度下制备的四硫七铜一钾纳米线的SEM图；

图3是本发明实施例1制备的四硫七铜一钾纳米线单根I-V图；

图4是本发明实施例1制备的四硫七铜一钾纳米线的反射图；

图5是本发明实施例1在不同温度下制备的四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；

图6是本发明实施例1制备的四硫七铜一钾电容器在不同扫速下的循环伏安图；

图7是本发明方法制备的1mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；

图8是本发明方法制备的2mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；

图9是本发明方法制备的5mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；

图10是本发明方法制备的10mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；

图11是本发明方法制备的锰-四硫七铜一钾电容器的比电容图；

图12是本发明方法制备的锰-四硫七铜一钾电容器的充放电图；

图13是本发明方法制备的锰-四硫七铜一钾电容器的能量和功率密度图；

图14是本发明方法制备的锰-四硫七铜一钾电容器的循环稳定图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明：

实施例1：

（1）准备三份原材料，每份称取0.001mol的氯化铜，0.0005mol的单质硫和3g（0.05mol）氢氧化钾,并把它们分别置于一个Teflon（特氟龙）管中。

（2）分别向上述三个Teflon（特氟龙）管中加入2ml无水乙醇和2ml水合肼,密封。

（3）将步骤2准备好的Teflon（特氟龙）管分别置于马弗炉中进行加热，加热的温度分别为200℃、180℃、150℃，加热24h后生成四硫七铜一钾纳米线。

（4）将步骤3中的Teflon（特氟龙）管取出，自然冷却至室温，再将里面的产物取出，经过去离子水超声清洗后，在60℃下烘干得到产品。

图1为本发明制备的四硫七铜一钾纳米线的XRD图，说明本发明制备的产物确实为四硫七铜一钾纳米线。

图2为本实施例的三种不同温度下制备的四硫七铜一钾的SEM图，三种四硫七铜一钾纳米线的直径分别为2μm,1μm,1.5μm，线长分别为110μm,130μm，160μm。

图3是本实施例制备的四硫七铜一钾纳米线单根I-V图从图中可以看出，本实施例制备的四硫七铜一钾纳米线电阻较低，但是其中150℃条件下合成的四硫七铜一钾纳米线的电阻最低。

图4是本发明实施例1制备的四硫七铜一钾纳米线的反射图；从图中可以看出本发明制备的四硫七铜一钾纳米线反射率较大，但是150℃条件下合成的四硫七铜一钾纳米线的反射率最大。

图5是本实施例在不同温度下制备的四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；说明本实施例制备的四硫七铜一钾纳米线电极的循环伏安特性较好，但是其中在150℃条件下合成的四硫七铜一钾纳米线电极的循环伏安特性最好。

图6是本发明实施例1制备的四硫七铜一钾电容器在不同扫速度下的循环伏安图；四硫七铜一钾纳米线电极的循环伏安图形随着扫描速度的增大基本保持不变，说明四硫七铜一钾纳米线电极具有较好的电容特性。

实施例2：

（1）称取0.001mol的氯化铜，0.0005mol的单质硫和3g（0.05mol）氢氧化钾,并把它们分别置于一个Teflon（特氟龙）管中。

（2）向上述反应容器中加入1.8ml无水乙醇和1.8ml水合肼,密封后。

（3）将步骤2准备好的反应容器置于烘箱中进行加热，加热的温度为120℃，加热48h后生成四硫七铜一钾纳米线。

（4）将步骤3中的Teflon（特氟龙）管取出，用水冷至室温，再将里面的产物取出，经过去离子水或无水乙醇超声清洗后，在60℃下烘干。

（5）将两根四硫七铜一钾纳米线在8MPa的大气压下分别压成薄膜，并将两个四硫七铜一钾纳米线薄膜分别固定在炭块上。

（6）在两块四硫七铜一钾纳薄膜上分别镀上1mg和2mg的锰纳米颗粒层。

（7）将上述两块载有锰-四硫七铜一钾电极的炭块在聚乙烯醇—氯化锂电解液中浸泡1—20分钟。聚乙烯醇—氯化锂作为电解质。

（8)将两块载有锰-四硫七铜一钾电极的炭块对接，且俩者之间用隔膜分开，最终组装成锰-四硫七铜一钾电容器。

实施例3：

（1）准备四份原材料，每份称取0.001mol的氯化铜，0.0005mol的单质硫和3g（0.05mol）氢氧化钾,并把它们分别置于一个Teflon（特氟龙）管中。

（2）向上述反应容器中分别加入2.2ml无水乙醇和2.2ml水合肼,密封后。

（3）将步骤2准备好的反应容器分别置于烘箱中进行加热，加热的温度为240℃，加热10h后生成四硫七铜一钾纳米线。

（4）将步骤3中的Teflon（特氟龙）管取出，自然冷却至室温，再将里面的产物取出，经过去离子水或无水乙醇超声清洗后，在60℃下烘干。

（5）将四份四硫七铜一钾纳米线在15MPa的大气压下压成薄膜，并将四硫七铜一钾纳米线薄膜分别固定在炭块上。

（6）在四个炭块上的四硫七铜一钾纳薄膜上分别镀上1mg，2mg、5mg、10mg的锰纳米颗粒层。

（7）将任意两块载有不同质量的锰的四硫七铜一钾电极的炭块在聚乙烯醇—氯化锂电解液中浸泡1—20分钟。聚乙烯醇—氯化锂作为电解质

（8)将任意两块载有不同质量锰的四硫七铜一钾电极的炭块对接，且俩者之间用隔膜分开，最终组装成锰-四硫七铜一钾电容器。

图7是本发明方法制备的1mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；图8是本发明方法制备的2mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；图9是本发明方法制备的5mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；图10是本发明方法制备的10mg锰-四硫七铜一钾电容器的循环伏安图；通过图6与图7、图8，图9和图10不同质量锰的四硫七铜一钾电容器的循环伏安图形对比，说明2mg锰-四硫七铜电容器具有较好的循环伏安特性，且循环伏安图形随着扫描速度的增大基本保持不变，说明该电容器具有较好的电容特性。

图11表示本发明制备的锰-四硫七铜一钾电容器的比电容较大。图12表明本发明电容器具有良好的线性电压—时间曲线。图13说明本发明制备的锰-四硫七铜一钾电容器的能量和功率密度较大。图14说明本发明锰-四硫七铜一钾电容器具有较好的电化学稳定性。

实施例4：

（1）称取0.001mol的氯化铜，0.0005mol的单质硫和3g（0.05mol）氢氧化钾,并把它们分别置于一个Teflon（特氟龙）管中。

（2）向上述反应容器中加入2ml无水乙醇和2ml水合肼,密封后。

（3）将步骤2准备好的反应容器置于烘箱中进行加热，加热的温度为200℃，加热15h后生成四硫七铜一钾纳米线。

（4）将步骤3中的Teflon（特氟龙）管自然冷却至室温，再将里面的产物取出，经过去离子水或无水乙醇超声清洗后，在60℃下烘干。

（5）将两份四硫七铜一钾纳米线在10MPa的大气压下分别压成薄膜，并将四硫七铜一钾纳米线薄膜分别固定在炭块上。

（6）在两块四硫七铜一钾纳薄膜上镀上1mg和2mg锰纳米颗粒层。

（7）将上述两块载有锰-四硫七铜一钾电极的炭块在聚乙烯醇—氯化锂电解液中浸泡1—20分钟。聚乙烯醇—氯化锂作为电解质。

（8)将两块载有锰-四硫七铜一钾电极的炭块对接，且俩者之间用隔膜分开，最终组装成锰-四硫七铜一钾电容器。

Claims (8)

1.一种四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：

（1）、称取氯化铜、单质硫和氢氧化钾放入反应容器中，所述氯化铜、单质硫和氢氧化钾的摩尔比为1:0.5:50；

（2）、向上述反应容器中加入等体积的无水乙醇和水合肼，密封；

（3）、将密封好的反应容器置入能恒温控制的加热设备中进行加热，加热温度120-240℃，加热时间10-48h；

（4）、加热完毕后，将反应容器取出，冷却至室温，将产物取出清洗后得到四硫七铜一钾纳米线。

2.根据权利要求1所述四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：所述氯化铜、单质硫、氢氧化钾、无水乙醇和水合肼的比例为1mol：0.5mol：50mol：1.8-2.2L:1.8-2.2L。

3.根据权利要求1或2所述四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中：所述反应容器由耐高温高压、耐酸碱的材料制成。

4.根据权利要求3所述四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：所述反应容器为特氟龙管。

5.根据权利要求1或2所述四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中：所述加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。

6.根据权利要求1或2所述四硫七铜一钾纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中：所述反应容器自然冷却或用水冷至室温；所述产物用去离子水和无水乙醇超声清洗，然后自然晾干或热烘干得到产品。

7.一种电容器，其特征在于：采用权利要求1中制备的四硫七铜一钾纳米线作为电极。

8.根据权利要求7所述电容器，其特征在于：所述电极的制备按照如下步骤完成：

（1）将四硫七铜一钾纳米线在8-15MPa的大气压下压成薄膜，并将四硫七铜一钾纳米线薄膜固定在炭块上；

（2）在两片四硫七铜一钾纳米线薄膜上分别镀上不同质量的锰纳米颗粒层；

（3）将两块载有锰-四硫七铜一钾的炭块在聚乙烯醇—氯化锂电解液中浸泡1—20分钟；

（4)将两块载有锰-四硫七铜一钾的炭块对接，且两者之间用隔膜分开，制成电极。

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