金属硫化物纳米结构的制备与电化学性能研究

发布时间：2020-10-11 23:24

　　 一直以来,能源问题都与人类的生活息息相关,也是全球一直关注的重要问题。随着传统能源煤炭、石油、天然气等化石燃料储量的日益减少、传统能源利用过程中对环境的污染问题日益突出,探索环保高效的新型能源已成为亟需解决的问题。锂离子电池因其具有清洁无污染、能量密度高、无记忆效应、循环寿命长等优点,作为一种能量储存与转换装置,广泛应用于便携式电子产品而倍受研究者的青睐。锂离子电池的电极材料是电池的重要组成部分,其性能的优劣直接影响着电池的整体性能。随着电动汽车、航空航天产业的发展,目前商业化的石墨类材料较低的理论比容量(大约为372 mAh g~(-1)),已经不能满足锂离子电池对电极材料高能量密度、大功率、高性能的需求。而过渡金属硫化物纳米材料以及其复合纳米材料,具有价格低廉、来源广泛、高比容量、循环性能稳定、安全性能好等优势,是商业化的石墨类材料的理想代替品。但是,金属硫化物存在自身导电性差、首次库伦效率低、不可逆容量大以及在充放电过程中容易发生聚积、体积变化大导致循环稳定性能差等问题。针对这一问题,研究者们通过控制反应条件合成具有特殊形貌的纳米结构材料,以缓解充放电过程中产生的体积效应;通过碳材料包覆、掺杂等手段可以有效地提高材料的导电性,进一步提高电化学储锂性能。另外,氢能作为一种高效的清洁能源也受到了人们的关注,电解水析氢反应(HER)是得到高纯度氢的一种有效途径。但是,商业上使用的电解水催化剂是Pt、Pd族等贵金属,其价格昂贵且储量有限限制了生产上的大规模应用。过渡金属硫化物作为一种高效、经济的电催化剂,虽然存在着导电性差、催化活性位点数少等缺陷,但研究发现通过合成特殊形貌结构的材料或者与其它纳米材料的掺杂能够明显地改善催化活性,有望代替贵金属催化剂。所以,研究过渡金属硫化物及其复合材料的电化学性能具有重要的意义。本文通过水热法制备出过渡金属硫化物FeMo_4S_6纳米片、MoS_2/BNG以及CoMoS_(3.13)@BN-CNT,采用XRD、SEM、TEM、Raman等技术手段分析了材料的形貌结构及物理特征,并进行了电化学储锂性能和电催化性能的研究,具体研究内容如下:1、我们通过一步水热法合成双金属过渡金属硫化物2D FeMo_4S_6纳米片材料,并用于电化学储锂。通过X-射线粉末衍射和透射电子显微镜表征可以看到FeMo_4S_6具有独特的层状结构且层间距为0.64 nm,厚度为10-14层。由于FeMo_4S_6独特的二维层状结构以及多组分效应,当它作为锂离子电池负极材料使用时,表现出了优异的电化学储锂性能。当被用作电解水催化剂使用时,展现出了优异的析氢反应催化性能:具有显著降低的析氢起始过电位,循环1000圈之后,阴极电流密度也没有明显的衰减,表现出了良好的循环稳定性。2、2D纳米结构材料及其复合材料由于具有独特的结构优势在能量储存与转换方面吸引了人们极大的关注。我们首次控制MoS_2纳米片生长在B,N共掺杂的类石墨烯片上得到二维纳米复合材料MoS_2/BNG,作为锂离子电池的负极材料。材料的2D纳米结构可以为锂离子的储存提供较大的比表面积,缩短Li~+的传输距离。这种特殊结构的设计,不仅可以有效地提高复合电极的导电性,还可以缓解在充放电过程中MoS_2产生的体积变化。MoS_2/BNG具有复合材料独特的结构和多组分的优势,在电流密度为0.2 A·g~(-1)时,首次放电比容量达到1203 mAh g~(-1),首次库伦效率为80%,在循环了100圈之后,容量保持率为96.7%,当电流密度重新为0.2 A·g~(-1)时,容量为913 mAh g~(-1),表现出了良好的倍率性能和循环稳定性。3、过渡金属硫化物作为电解水催化剂引起了人们的兴趣,但是,进一步提高析氢反应,特别是析氧反应的催化活性将面临极大的挑战。我们合理的选择了B,N共掺杂的类石墨烯纳米管作为活性基底材料支撑CoMoS_(3.13)纳米片构筑CoMoS_(3.13)@BN-CNT复合材料作为双功能电解水催化剂。测试结果表明:在活性基底材料中掺杂B和N,可以有效地改善过渡金属硫化物的HER和OER的催化活性。此外,BN-CNT纳米管基底材料不仅可以确保CoMoS_(3.13)纳米片边缘提供更多的活性位点,还可以充当“高速公路”的角色加速电荷的转移提高反应的动力学特征。因此,复合材料作为电催化剂明显地提高了HER和OER的催化活性,包括降低了过电位,增加催化电流密度,提高反应动力学,增加了循环稳定性。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TM912
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 文献综述
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池简介
        1.2.1 锂离子电池的发展历史
        1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
    1.3 锂离子电池负极材料的研究进展
        1.3.1 碳负极材料
        1.3.2 合金系列负极材料
        1.3.3 金属氧（硫）化物负极材料
        1.3.4 其它负极材料
    1.4 过渡金属硫化物负极材料的改性
    1.5 电催化析氢概述
        1.5.1 电催化析氢反应的原理
        1.5.2 电催化析氢反应的性能参数
        1.5.3 过渡金属硫化物在电解水反应中的应用
    1.6 论文的立题依据和研究内容
第二章 相关试验方法
    2.1 实验试剂和仪器
        2.1.1 化学试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 实验方法及原理
        2.2.1 水热法
        2.2.2 溶剂热法
        2.2.3 高温固相合成法
    2.3 电池的组装
        2.3.1 电极材料的制备
        2.3.2 电池的组成元件
        2.3.3 纽扣电池的组装
    2.4 样品的结构表征
        2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
        2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
        2.4.3 X-射线粉末衍射（XRD）
        2.4.4 拉曼光谱（Raman）
        2.4.5 X射线光电子能谱分析（XPS）
    2.5 电化学性能的测试与表征
        2.5.1 循环伏安测试（CV）
        2.5.2 线性扫描伏安法（LSV）
        2.5.3 电化学交流阻抗测试（EIS）
        2.5.4 恒电流充放电测试（CCD）
4S₆纳米薄片的制备及其电化学储锂和电化学析氢性能的研究'>第三章 层状FeMo₄S₆纳米薄片的制备及其电化学储锂和电化学析氢性能的研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
        3.2.1 样品制备
        3.2.2 材料的表征方法
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 电子显微镜的表征结果
        3.3.2 X-射线粉末衍射表征结果
        3.3.3 电化学储锂性能测试结果分析
        3.3.4 电化学析氢性能结果分析
    3.4 本章小结
2纳米片与B,N-共掺杂的类石墨烯复合材料的制备及其电化学储锂性能的研究'>第四章 MoS₂纳米片与B,N-共掺杂的类石墨烯复合材料的制备及其电化学储锂性能的研究
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 样品的制备
        4.2.2 材料的表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 电子显微镜的表征结果
        4.3.2 X-射线衍射分析和X射线光电子能谱表征结果
        4.3.3 电化学储锂性能的结果分析
    4.4 本章小结
3.13复合纳米材料的制备及电催化性能研究'>第五章 BN-CNT@CoMoS_3.13复合纳米材料的制备及电催化性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 材料的制备
        5.2.2 材料的表征
        5.2.3 电化学性能的测试
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 电子显微镜的表征结果
        5.3.2 X-射线衍射分析表征结果
        5.3.3 拉曼光谱表征结果
        5.3.4 X射线光电子能谱表征结果
        5.3.5 电化学性能结果分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文

【参考文献】

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本文编号：2837277