基于电化学储能与传感应用的过渡金属硫化物纳米材料的合成与性能

发布时间：2018-05-30 04:40

本文选题：过渡金属硫化物 + 电化学　；参考：《郑州大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着能源危机和环境污染的加剧,人们致力于研究新型电能储存设备。近年来,电化学超级电容器由于其独特的优势,而引起了广泛的关注。一般来说,超级电容器的电极材料可分为三类:碳材料、导电聚合物、过渡金属化合物。其中,过渡金属化合物不仅可以依靠静电吸附储存电荷,也可以在电极材料与电解液间发生法拉第反应。因此,过渡金属化合物成作为超级电容器电极材料引起了大量研究。在这些过渡金属化合物中,二氧化钌由于具有宽的电压窗,高度可逆的氧化还原反应而被广泛研究。但是高昂的成本限制了商业化应用。因此,一些来源于Mn、Co、Ni等的一些低成本过渡金属化合物成为优先考虑的代替者。另一方面,糖尿病已成为全球最大危害人类健康之一的疾病。血糖值是这种疾病的代表性特征。为了测定血糖值,葡萄糖传感器的研究得到了极大的鼓舞。由于基于酶的传统葡萄糖传感器具有一些缺点如稳定性低、成本高,因此,科研工作者投入了大量的精力发展低成本、高灵敏度、且具有高选择性的无酶葡萄糖传感器。近年来,纳米结构材料已经在电化学领域引起了广泛关注,其在电化学传感器中的应用主要是利用纳米结构改性电极的催化能力,可以降低反应的过电位,并使得其在动力学上更加容易进行,提高氧化还原反应的可逆性。据此,本论文主要围绕过渡金属硫化物纳米材料的设计合成,电极设计及液相、固相超级电容器和无酶葡萄传感器的构筑开展了一些研究。具体内容如下:(1)通过简单低成本的一步溶剂热法合成三元Cu-Co硫化物,CuCo_2S_4,其平均尺寸为20-60nm。电化学测试结果表明,CuCo_2S_4纳米材料在3 mol dm~(-3) KOH电解液中表现出卓越的电化学性能。1 Ag~(-1)时电流密度比电容达到443.7 Fg~(-1),经过10000次的循环充放电测试后电容保持率为83.8%。更重要的是,以CuCo_2S_4材料和活性炭分别制作成电容器的正极和负极并组装成不对称超级电容器具有高的面电容,在3 mA cm~(-2)电流密度下,其面电容达到274.5 mF cm~(-2),经过5000圈在不同电流密度的恒电流充放电测试后,该不对称设备电容保持率为94.7%。而且,组装的超级电容器可以充电然后放电来驱动各种电子元件。(2)将CuCo_2S_4材料与活性炭分别作为超级电容器的正、负极活性材料,泡沫镍作为集流体,聚乙烯醇/KOH作为电解质,组装了全固态不对称超级电容器CuCo_2S_4//AC,并通过循环伏安和恒电流充放电研究其电化学性能。电化学测试结果表明,该全固态不对称CuCo_2S_4//AC超级电容器的电压窗口可以达到0-1.4V,在3 mA cm~(-2)的电流密度下,比电容为42.7 Fg~(-1)。当能量密度为11.5Wh kg~(-1)时,功率密度为281.3W kg~(-1)。为了对比又组装了全固态对称超级电容器CuCo_2S_4//CuCo_2S_4。(3)CuCo_2S_4纳米粒子具有大的比表面积、高的表面活性和催化效率,其可以作为葡萄糖氧化的电催化剂。因此,以合成的CuCo_2S_4纳米颗粒为活性材料,利用全氟磺酸(Nafion)将其固定到玻碳电极(GCE)表面,从而构建了一种基于CuCo_2S_4/Nafion/GCE的无酶葡萄糖传感器。通过循环伏安法、计时电位法测试了各种影响因素,如pH、活性物质的负载量和工作电位。在优化的实验条件下,该传感器对葡萄糖的灵敏度为21.46μA cm~(-2) m M~(-1),线性范围为0.05~0.8mmol L~(-1),检出限为9.54μM(S/N=3)。。(4)通过简单有效且没有使用任何表面活性剂的溶剂热法成功合成了具有高长径比NiS纳米线阵列。该泡沫镍支撑的NiS纳米线阵列作为无粘合剂的电极,表现出优越的电化学性能,在3 mol dm~(-3) KOH电解质溶液中,20 mA cm~(-2)的电流密度下,其比电容达到10.3 F cm~(-2),并且具有好的倍率性和循环稳定性(在8000圈循环后电容保持79.0%)
[Abstract]:In recent years , nano - structured materials have been widely studied in the field of electrochemical sensors . The electrochemical properties of CuCo _ 2S _ 4 / / CuCo _ 2S _ 4 are studied by cyclic voltammetry and chronopotenPotential . The results show that the CuCo _ 2S _ 4 / / AC super - capacitor has a higher specific surface area and a higher surface activity and catalytic efficiency . The results show that the CuCo _ 2S _ 4 / / AC super capacitor has a specific surface area , a linear range of 0.05 - 0.8 mmol L ~ ( -1 ) , and a detection limit of 9.54 渭M ( S / N = 3 ) .
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM53

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