过渡金属硫族化物基异质结纳米材料的制备及其储能性能研究

发布时间：2020-04-07 06:44

【摘要】：随着经济的快速发展和对能源需求的不断增加,人们对储能设备和技术的需求也大大增加,为此科研工作者们在开发高效的能量转换和储存系统(例如太阳能电池、超级电容器和锂离子电池)方面做出了巨大的努力。在众多的储能设备中,超级电容器以其高功率密度、长的使用寿命、低成本、环保等优点,成为可持续和可再生能源的首要选择。目前,超级电容器已经在通信、交通、储能、电子、航空等领域得到了广泛的应用。从根本上说,这些系统的性能直接取决于电极材料的性能。过渡金属二硫化物具有与石墨烯相似的层状结构,层与层之间通过范德华力相互作用,具有易剥离,易与其他物质相结合等特性。此外,过渡金属硫化物还具有丰富的氧化还原中心、高的理论电容等特性,被认为是一种很有应用前景的电极材料。然而,采用单一一种过渡金属二硫化物作为超级电容器的电极材料时,仍然存在能量密度低等缺点,严重限制了这类材料的广泛应用。导致这种现象的原因是过渡金属硫化物的导电性差,而且也很容易发生团聚,其比表面积会大大降低,这些都大大降低了其在实际应用中的性能。具有不同几何和能带排列的异质结纳米材料,由于其高质量的异质界面能实现有效的电子空穴分离,从而促进了电荷的快速转移。因此,设计和制备具有理想空间结构和良好导电性的过渡金属硫化物异质结纳米材料将是提高这类材料性能的有效途径。本论文制备了一系列的基于过渡金属硫化物的异质结纳米材料,并对其结构和电化学性能进行表征和测试。主要研究内容包括:(1)采用了简单的一步水热法制备了花状Bi_2S_3/MoS_2异质结纳米材料,并将其作为高性能超级电容器的电极材料。在Bi_2S_3/MoS_2异质结纳米材料中,MoS_2纳米片与Bi_2S_3纳米棒的表面紧密相连,形成优越的异质界面,有利于电子的快速传导。另外,以Bi_2S_3/MoS_2异质结作为一个单元,组装成三维花状纳米结构,为电化学过程中的离子迁移提供了额外的轨迹。作为超级电容器的电极材料,当电流密度为1 A g~(-1)时,比电容达到3040 F g~(-1),当电流密度增加到30 A g~(-1)时,电容保持在1258 F g~(-1)。经过5000次循环后,制备的花状Bi_2S_3/MoS_2异质结在电流密度为10 A g~(-1)下的电容保留率高达92.8%,表现出良好的循环稳定性。Bi_2S_3/MoS_2异质结电极材料不仅充分利用了Bi_2S_3纳米棒和MoS_2纳米片的优良的赝电容行为,而且还产生了两种材料的协同效应。因此,所制备的Bi_2S_3/MoS_2异质结电极材料具有较高的电容和较好的倍率性能,且比单组分样品具有更好的循环稳定性。过渡金属硫化物之间合理的异质结设计为高性能电极材料和新一代的电储能系统提供了一种新思路。(2)采用简单的水热法合成了三维花状MoS_2-CoSe_2异质结纳米材料。CoSe_2纳米片的原位生长不仅能产生高质量的异质界面,而且还能形成三维多孔结构,从而增强了电子的传导,避免了重排和严重的聚集。由于这些独特的结构特点,所制备的三维花状MoS_2-CoSe_2异质结纳米材料展示了优异的电化学性能。在电流密度为1 A g~(-1)的条件下,制备的MoS_2-CoSe_2电极材料的比容量高达1889 F g~(-1),当电流密度增加到20 A g~(-1)时,仍能保持896 F g~(-1)的电容。此外,在电流密度为20 A g~(-1)的情况下,经过5000次循环,电容保留率为91.03%,表明材料可保持良好的循环稳定性。分别以MoS_2-CoSe_2为正、负电极组装的水系对称电池,在功率密度为800 W kg~(-1)时,具有较高的电压值(1.6 V)和显著的能量密度(60.1 W h kg~(-1)),并且具有很好的循环稳定性(2000次循环后电容保持率为83.62%)。(3)采用简单的水热法成功的制备了不同质量比的Ni(OH)_2-VS_2异质结纳米材料。由于它具有比表面积大、导电性好等优点以及Ni(OH)_2与VS_2之间的协同作用,在用作超级电容器电极材料时,Ni(OH)_2-VS_2异质结纳米材料均表现出比单组分更加优异的电化学性能。当Ni(OH)_2与VS_2质量比为5:1时,Ni(OH)_2-VS_2异质结电极材料在电流密度为1 A g~(-1)的时,比电容最高可达到4021 F g~(-1),且在电流密度为5 A g~(-1)下进行500次充放电测试,电容保持率仍在80%以上。采用该方法制备的异质结纳米材料具有良好的电化学性能,且材料价廉易得具有很好的经济效益,在超级电容器中有着广阔的应用前景,使Ni(OH)_2-VS_2异质结纳米材料成为具有吸引力的电极材料。(4)采用在酸性条件下原位聚合法合成PANI/VS_2异质结纳米材料,并研究了苯胺含量的不同对其电化学性能的影响,经过条件优化后,我们得出,当VS_2用量固定为60 mg时苯胺含量为2.76 mL时,所得PANI/VS_2异质结纳米材料电化学性能最好。在PANI/VS_2异质结纳米材料中,纳米线和纳米片的组合结构提供了一个相对较短的扩散途径,提高活性物质的利用率。电化学性能研究结果表明,在电流密度为1 A g~(-1)下,比电容最高达到2077 F g~(-1),同时具有良好的循环性能,在电流密度为5 A g~(-1)时,循环500次后,比电容保持率为96%,是一种具有实际应用前景的电极材料。
【学位授予单位】：信阳师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM53

【参考文献】