新型二维过渡金属硫化物的制备及电化学性能研究

发布时间：2018-11-18 11:16

【摘要】：当前,解决能源危机和环境问题迫使我们不断地探寻有效的新型储能器件。超级电容器具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长、安全系数高和环境友好等优点,成为全球范围的研究热点。高性能电极材料的制备是发展超级电容器最有效的方式之一。层状过渡金属硫化物具有与石墨烯相似的层状结构,制备过程简单；原子的排列使之拥有独特的“三明治夹心”结构,夹层原子通过微弱的范德华力相结合,层与层之间易剥离,易与其他物质复合。此外,层状过渡金属硫化物还具有大的比表面积和高的理论比电容,在超级电容器、锂离子电池、光催化和电催化等能源领域应用广泛。然而,与过渡金属氧化物类似,过渡金属硫化物相对差的导电性限制了其功率密度的提高,从而阻碍了电化学性能的充分发挥。为此,将层状过渡金属硫化物与导电性能良好的碳基材料(如石墨烯、多壁碳纳米管、乙炔黑等)复合,制备高性能的超级电容器电极材料是不错的选择。主要实验内容包括：(1)为了更好的控制合成材料的结构形貌,我们在模板泡沫镍的辅助下,采用水热合成法制备了由片层结构堆叠成直立生长的MoSe2,这种结构有效的扩大了材料的比表面积,并防止材料在快速的电解质离子和电子转移过程中塌陷,从而提高了材料的稳定性,循环1500圈后,稳定性仍能保持104.7%。在1 A g-1的电流密度下,比电容仅达到1114 F g-1。为了进一步提高材料的导电性能和比表面积,进而提高其电化学性能,我们开展了以下工作：①在泡沫镍的指导作用下,将MoSe2与石墨烯复合,制备柔性的工作电极。材料的结构形貌表征和电化学性能测试结果表明,当MoSe2和石墨烯的质量比为7：1时,石墨烯能够很好地嵌入MoSe2中,抑制了石墨烯的团聚,所合成材料具有多孔结构和较大的比表面积,可有效存储电荷,促进电子在电极材料中的快速传递,显著提高其电化学性能。在1 Ag-1的电流密度下,比电容达到1422 F g-1,且循环1500圈后仍保持最初比电容的100.4%,表明该材料可作为一种良好的超级电容器电极材料。另外,我们还将该材料作为工作电极用于多巴胺电催化氧化测试,低的检出限和宽的线性范围说明了该材料同样也具有良好的电催化性能；②利用模板辅助,水热合成了花状MoSe2与乙炔黑(AB)的复合材料,并对其结构形貌进行表征,结果显示AB颗粒分布在片层MoSe2底部,形成多孔结构,大大增加了复合材料的比表面积,给离子和电子的转移提供了充足的空间,使复合材料的电化学性能得到显著的提高,表现为：在电流密度为1 Ag-1时,比电容达到2020 F g-1；循环1500圈后,稳定性保持107.5%。将材料用于析氢反应的催化剂,析氢过电位低,塔菲尔斜率小,意味着快速的析氢反应动力学,说明复合材料还具有较好地催化性能。(2)过渡金属硫化物硫化铜具有原料丰富和易于制备等优点,且目前很多二维硫化铜的合成均采用表面活性剂辅助。因此我们首先在不同表面活性剂的辅助下,选用不同的硫源,采用一步溶剂热反应法合成不同形貌的硫化铜,并对其进行结构组成表征和电化学性能测试。结果表明,不加入表面活性剂、硫脲为硫源时,CuS的片层厚度较小,比表面积较大,有利于离子和电子在活性物质和电解液之间的转移和扩散,得到的比电容可达833.3 F g-1(电流密度为1 A g-1),但稳定性不尽满意(循环500圈后,稳定性为70.1%)。为了解决此问题,我们尝试将CuS与碳基材料复合,结合CuS易插层的片层结构和较大的比表面积以及碳基材料良好的导电性能和较好的稳定性等优点,开展了以下工作：利用溶剂热反应法,将CuS分别与石墨烯、多壁碳纳米管和乙炔黑复合,并将这些复合材料用于法拉第赝电容器电极材料。电流密度为1 A g-1时,CuS-graphene、CuS-MWCNTs、CuS-AB电极的比电容可分别达到2317、2831、2981 F g-1。而且,随着电流密度的增大,这些材料比电容的下降趋势并不明显,说明了复合材料良好的速率行为。通过循环充放电测试,表明材料的稳定性也较单纯的硫化铜纳米片有了明显的提高。
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【学位授予单位】：信阳师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM53

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