本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料及其制備和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器是一種介于普通電容器和化學(xué)電池之間的儲(chǔ)能器件,兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，如功率密度高、能量密度高、循環(huán)壽命長、可快速充放電，并具有瞬時(shí)大電流放電和對(duì)環(huán)境無污染等特性。它涉及材料、能源、化學(xué)、電子器件等多個(gè)學(xué)科，成為交叉學(xué)科研究的熱點(diǎn)之一。作為一種綠色環(huán)保、性能優(yōu)異的新型儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器在眾多的領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，包括國防、軍工以及電動(dòng)汽車、電腦、移動(dòng)通信等民用領(lǐng)域，因而受到了世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家的高度重視。
從電極材料和能量存儲(chǔ)原理的角度，超級(jí)電容器可以分為雙電層超級(jí)電容器和贗電容超級(jí)電容器。雙電層電容器是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲(chǔ)電荷，存儲(chǔ)電量的多少依賴于電極材料比表面積的大小，雙電層超級(jí)電容器具有功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，但其比電容和能量密度較小，因而限制了其應(yīng)用范圍。贗電容器是利用在電極材料表面或近表面層發(fā)生的快速可逆的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電，與雙電層超級(jí)電容器相比贗電容器可以獲得高得多的比電容和能量密度，因此具有很好的應(yīng)用前景。贗電容超級(jí)電容器電極材料主要使用過渡金屬氧化物、過金屬硫化物和導(dǎo)電聚合物。過渡金屬硫化物具有特殊的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能，因而在儲(chǔ)能方面有廣闊的前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料，不僅具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性還具有超高的比表面積和比電容，且制備簡單，使用方便。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料，其孔徑大小為100～300nm，壁厚10～20nm。
一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)取一片泡沫鎳依次用鹽酸、無水乙醇和去離子水洗凈，然后在40～50℃下干燥10～12h，稱取泡沫鎳的質(zhì)量；
(2)分別稱取Co(NO3)2，Zn(NO3)2和CO(NH2)2，加入50mL水中，攪拌15～30min后，得到淡粉色溶液，將泡沫鎳放入60mL反應(yīng)釜中，然后倒入淡粉色溶液，在100～160℃下反應(yīng)6～12h，冷卻至室溫，洗凈烘干，得到粉色前驅(qū)體；
(3)將粉色前驅(qū)體加入硫化鈉溶液中，在120～140℃下反應(yīng)4～8h，自然冷卻至室溫，洗凈烘干，得到黑色產(chǎn)物。
優(yōu)選的，所述泡沫鎳的長度為1～4cm，寬度為1～2cm。
優(yōu)選的，所述Co(NO3)2的濃度為5～10mM，所述Zn(NO3)2的濃度為2.5～5mM。
優(yōu)選的，所述前驅(qū)體的冷卻速率為2～5℃/min。
優(yōu)選的，所述硫化鈉的濃度為0.01～0.05mol/L。
本發(fā)明還提供一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料在超級(jí)電容器電極材料是上的應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一種蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)它直接生長在泡沫鎳基底上，具有自集流的作用，無需使用粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，這使它具有更佳的機(jī)械性能和導(dǎo)電性；(2)蜂窩結(jié)構(gòu)的比表面積大，可以為離子的吸脫附和氧化還原反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)；(3)材料ZnCo2S4在充放電過程中可以發(fā)生多重氧化還原反應(yīng)。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1：
一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料，其孔徑大小為300nm，壁厚10nm。
所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)取一片2×4cm泡沫鎳依次用6M鹽酸、無水乙醇和去離子水洗凈，然后在40～50℃下干燥10～12h，稱取泡沫鎳的質(zhì)量為187.52mg；
(2)分別稱取Co(NO3)2，Zn(NO3)2和CO(NH2)2，加入50mL水中，攪拌15～30min后，得到淡粉色溶液，其中Co(NO3)2的濃度為10mM，所述Zn(NO3)2的濃度為5mM，將泡沫鎳放入60mL反應(yīng)釜中，然后倒入淡粉色溶液，在140℃下反應(yīng)6h，以2℃/min的冷卻速率冷卻至室溫，洗凈烘干，得到粉色前驅(qū)體；
(3)將粉色前驅(qū)體加入0.025mol/L硫化鈉溶液中，在120℃下反應(yīng)6h，自然冷卻至室溫，洗凈烘干，得到重量為196.72mg黑色產(chǎn)物。
所得ZnCo2S4在泡沫鎳上的負(fù)載量為1.15mg/cm-2，所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料可直接作為超級(jí)電容器的電極用。
實(shí)施例2：
一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料，其孔徑大小為100nm，壁厚10nm。
所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)取一片1×1cm泡沫鎳依次用6M鹽酸、無水乙醇和去離子水洗凈，然后在40～50℃下干燥10～12h，稱取泡沫鎳的質(zhì)量為18.96mg；
(2)分別稱取Co(NO3)2，Zn(NO3)2和CO(NH2)2，加入50mL水中，攪拌15～30min后，得到淡粉色溶液，其中Co(NO3)2的濃度為5mM，所述Zn(NO3)2的濃度為2.5mM，將泡沫鎳放入60mL反應(yīng)釜中，然后倒入淡粉色溶液，在100℃下反應(yīng)12h，以5℃/min的冷卻速率冷卻至室溫，洗凈烘干，得到粉色前驅(qū)體；
(3)將粉色前驅(qū)體加入0.025mol/L硫化鈉溶液中，在140℃下反應(yīng)4h，自然冷卻至室溫，洗凈烘干，得到重量為24.52mg黑色產(chǎn)物。
所得ZnCo2S4在泡沫鎳上的負(fù)載量為1.08mg/cm-2，所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料可直接作為超級(jí)電容器的電極用。
實(shí)施例3：
一種高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料，其孔徑大小為250nm，壁厚20nm。
所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)取一片2×2cm泡沫鎳依次用6M鹽酸、無水乙醇和去離子水洗凈，然后在40～50℃下干燥10～12h，稱取泡沫鎳的質(zhì)量為98.75mg；
(2)分別稱取Co(NO3)2，Zn(NO3)2和CO(NH2)2，加入50mL水中，攪拌15～30min后，得到淡粉色溶液，其中Co(NO3)2的濃度為4mM，所述Zn(NO3)2的濃度為2mM，將泡沫鎳放入60mL反應(yīng)釜中，然后倒入淡粉色溶液，在160℃下反應(yīng)6h，以2℃/min的冷卻速率冷卻至室溫，洗凈烘干，得到粉色前驅(qū)體；
(3)將粉色前驅(qū)體加入0.025mol/L硫化鈉溶液中，在120℃下反 應(yīng)8h，自然冷卻至室溫，洗凈烘干，得到重量為102.95mg黑色產(chǎn)物。
所得ZnCo2S4在泡沫鎳上的負(fù)載量為1.05mg/cm-2，所述高容量蜂窩結(jié)構(gòu)的ZnCo2S4納米材料可直接作為超級(jí)電容器的電極用。
綜上，本發(fā)明實(shí)施例具有如下有益效果：(1)它直接生長在泡沫鎳基底上，這使它具有更佳的機(jī)械性能和導(dǎo)電性；(2)蜂窩結(jié)構(gòu)的比表面積大，可以為離子的吸脫附和氧化還原反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)；(3)材料ZnCo2S4在充放電過程中可以發(fā)生多重氧化還原反應(yīng)。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。