液相剥离二硫化钼纳米片及其复合材料的制备与电化学能量存储性能研究

发布时间：2020-07-26 11:54

【摘要】：二硫化钼(MoS_2)作为一类层状过渡金属硫族化合物的范例,具备电化学活性高,化学稳定性好等优点,其层间相对较大的层间距以及弱的范德华相互作用有助于其在某些有机溶剂中的剥离和分散,可作为电极材料扩充其在电化学能量存储设备(如超级电容器、锂离子电池等)范畴中的应用。然而,现阶段实现高质量二硫化钼纳米片的高效制备仍是亟待解决的关键问题。此外,由于二硫化钼纳米片自身的导电性较差,电化学反应过程中易发生团聚和重新堆叠等结构崩塌,往往导致性能快速衰减,这极大限制了其实际应用。本论文针对二硫化钼制备和应用中存在的关键问题,发展了基于溶液交换方法实现高浓度少片层二硫化钼纳米片在低沸点溶剂(水,乙醇等)中的均匀分散,并以此少层二硫化钼纳米片作为二维模板实现其与其他纳米颗粒的高效杂化复合,通过简单便捷的反应过程,构筑了一系列少片层二硫化钼纳米片的复合材料,揭示了杂化复合结构的形成原理和调控机理,深入探讨了少片层二硫化钼纳米片复合材料组成-结构-性能之间的关系规律,拓展了该类复合材料在能量存储器件领域的应用。本论文主要着手进行了如下探索工作:(1)利用分步原位聚合方法,以少片层二硫化钼纳米片作为二维模板,制备了具有 类披萨‖结构的二硫化钼/聚吡咯/聚苯胺(MoS_2/PPy/PANI)三元复合材料,研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。该三元杂化材料用作超级电容器电极模块实施时,少片层二硫化钼薄片可用作电解液离子的储存器,同时能够有效缩短电子传输的扩散路径,聚吡咯中间层能够很好的缓和充放电过程中该结构的体积膨胀和收缩,外层聚苯胺的良好分散可以显著改善电极材料与电极液的接触界面,有利于其电化学性能的提升。该MoS_2/PPy/PANI三元复合材料在0.5 A g~(-1)的电流密度下比电容数值可实现1273 F g~(-1),同时显露出接触的循环耐久性。(2)利用化学浴沉积方法,实现了少片层二硫化钼纳米片与多种过渡金属氧化物(如氧化镍NiO、四氧化三钴Co_3O_4、三氧化二铁Fe_2O_3)的纳米复合,并研究了将其作为超级电容器电极材料的电化学性能。该类少片层二硫化钼纳米片/过渡金属氧化物复合材料具有三维多孔结构、高电导率和良好结构稳定性等优势,复合结构的生成不仅可抑制少片层二硫化钼纳米片自身的团聚,而且可以缓冲过渡金属氧化物在冲放电过程中的体积膨胀/收缩。该MoS_2-NiO杂化材料在电流密度为0.5 A g~(-1)下比电容值实现1113 F g~(-1)。此外,利用MoS_2-Ni O复合材料作为正极模块,Mo S_2-Fe_2O_3复合材料作为负极模块构筑非对称超级电容器,在功率密度为807.2 W kg~(-1)时可提供高达39.6 W h kg~(-1)的能量密度。(3)利用原位聚合方法在少片层二硫化钼纳米片表面包覆富氮碳化聚吡咯,得到具有高度导电互穿网络、大比表面积以及优异结构稳定性的少片层二硫化钼-富氮碳化聚吡咯(MoS_2-NCP)复合材料,并研究了将其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。该MoS_2-NCP复合材料能有效防止少片层二硫化钼纳米片之间的重新堆叠,其独特的二维结构拥有较高的堆积密度,也可实现电极液离子的快速扩散,促进锂离子和少片层硫化钼纳米片充分接触和发生嵌锂/脱锂反应。负载在二硫化钼纳米片上的富氮碳化聚吡咯层通过强配位N-Mo键实现了和二硫化钼纳米片的有效杂化复合,提升了复合结构的稳定性;该MoS_2-NCP杂化材料在0.1 A g~(-1)电流密度下可逆比容量达到1087.5mA h g~(-1),同时在500圈充放电循环后仍能实现95.0%以上的保持率。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53;TM912
【图文】：

概论及研究进展研究背景及意义的可携带式电子设备和混动/电动汽车的资源的不断增加和迫切的需求。超级电容脉冲功率，长循环寿命（上十万次循环传播高动力学备受瞩目[6]。如下图 1-1 所对照，并作简化的 Ragone‖图展现，超要地位。具有高功率的有点和相对于传统提供一个有前景的科研方向以满足本世。而今超级电容器普遍于家用电子商品、文置方面使用[7]。最新有一个应用便是安装电容器，突出展现其性能安全可靠。而最力汽车，以及燃料电池新能源汽车上的实高容量电池或燃料电池合并以用作大功率容器在储能领域未来可能会展现出与电

东华大学硕士研究生学位论文的比表面积数值，其越大越利于电解质离子传输。另一类如 1-2(b)所示容超级电容器，由于一些电化学活性材料作为电极，由此在接近电极表处存在快速和可逆的法拉第反应过程。并且这 2 类有区别的机制可遵照的性质同时存在。如是以电解液的种别来分辨超级电容器又可分为水系以及全固态超级电容器；而依据组装方式不同，则可分为板式、扣式和电容器；按照电极结构来划分，如是超级电容器正负极材料为同一中，其称作对称电容器，如是不同的材料则是非对称电容器。

3 x电极比电容优化展示图；（b）m-WO3-x, m-WO3,s-1扫速下的 CV 曲线。[16]matic explanation of the improved capacitance andde; and (b) CV curves of m-WO3 x, m-WO3, and bof 5 mV s-1(inset: enlarged CV curve of b-WO3 x).[1电容器凝胶电解质的优势是体系稳定，电子迁移高现象，这就省去了繁杂的封装外壳，减轻了超级电容器向微型化、超薄层化发展的潜般有 PVA（聚乙烯醇）和氢氧化钾，PAA钾）等。现今的全固态超级电容器大多是由胶态电解质薄层堆叠在一起构筑的多层膜重动力学限制，导致电解质离子在电极上分散的比电容很有难度。并且，层状多次堆积的内部的受力剥离裂缝，引起整个体系内阻升

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本文编号：2770733