【摘要】：硫化鉍(Bi2S3)是一種重要的半導(dǎo)體材料,具有能量帶隙較窄的特點(diǎn)(Eg=1.3 e V),如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在傳感器、光電轉(zhuǎn)換和熱電技術(shù)中。另外,Bi2S3固有的層狀結(jié)構(gòu)可以容納客體離子的嵌入,因而在儲鋰和儲氫中也有潛在的應(yīng)用前景。本論文以Bi2S3材料為研究對象,以調(diào)控Bi2S3材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)儲鋰特性為研究內(nèi)容,系統(tǒng)開展這種材料的可控制備、結(jié)構(gòu)修飾、復(fù)合改性和電化學(xué)性能評測的研究,并取得了一些有意思的研究成果。具體研究內(nèi)容如下:(1)采用水熱法一步制備了盤狀編織結(jié)構(gòu)的碳包覆Bi2S3復(fù)合材料,通過改變反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度來調(diào)控最終產(chǎn)物的成分和形貌。結(jié)果表明,180℃下水熱反應(yīng)3h得到較好的盤狀Bi2S3產(chǎn)品。該產(chǎn)品直徑約為2μm,由Bi2S3納米棒相互編織而成,納米棒的表面均勻包覆一層厚度為3 nm的非晶碳層。該碳層可以有效限制了Bi2S3在脫嵌鋰離子時的體積膨脹,并提高了電子導(dǎo)電性,從而改善了Bi2S3的電化學(xué)儲鋰性能。電化學(xué)測試表明,在300 m A g-1電流下循環(huán)40圈后容量仍然保持在362 m Ah g-1;在600 m A g-1電流下循環(huán)40圈后容量還維持在301 m Ah g-1,此結(jié)果較文獻(xiàn)報(bào)道有了明顯的改善,但高倍率性能仍有待于提升。(2)采用超聲合成法在室溫下獲得了Bi2S3與碳納米管(CNT)的強(qiáng)耦合復(fù)合物。復(fù)合結(jié)構(gòu)有兩種形式,一種為Bi2S3-CNT樹枝狀結(jié)構(gòu),另一種為Bi2S3@CNT共軸結(jié)構(gòu)。在樹枝狀Bi2S3-CNT復(fù)合結(jié)構(gòu)中,Bi2S3納米棒垂直于CNT生長,電解液可以直接滲透到納米棒的底部;而柔性CNT對電荷的轉(zhuǎn)移提供了快捷通道,因而該材料具有非常優(yōu)良的電化學(xué)儲鋰性能。電化學(xué)測試表明,樹枝狀Bi2S3-CNT表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和倍率性能,在3 A g-1電流下容量仍然接近400 m Ah g-1,90次循環(huán)后容量穩(wěn)定在534m Ah g-1。我們進(jìn)一步制備了Bi2S3@CNT共軸結(jié)構(gòu),其制備在冰浴中進(jìn)行,因而有效控制了反應(yīng)的速率。在Bi2S3@CNT中,Bi2S3與CNT存在著化學(xué)耦合,因而結(jié)合非常緊密,不易脫落。該Bi2S3@CNT的循環(huán)和倍率性能同樣很優(yōu)異,在0.2和1 A g-1電流下循環(huán)100次容量仍然保持了502和405 m Ah g-1。而且,該共軸材料在5 A g-1電流下,仍然保持376 m Ah g-1的容量。高速循環(huán)伏安掃描實(shí)驗(yàn)證實(shí),該材料可以經(jīng)受10 m V s-1電位掃描而不損失基本的形狀,突出體現(xiàn)了該共軸材料的高倍率特性。(3)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以獲得高容量和高倍率的Bi2S3材料,但是該材料的首次庫倫效率一般比較低(70%),難以實(shí)際利用。我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了Bi2O3-Bi2S3異質(zhì)結(jié)構(gòu)來解決這一難題。我們采用表面活性劑CTAB來調(diào)控硫化過程,從而得到了內(nèi)部為Bi2O3,外部為Bi2S3的納米片層。電化學(xué)測試表明,該Bi2O3-Bi2S3的首次庫倫效率達(dá)到83.7%,遠(yuǎn)高于以前的Bi2S3或者Bi2O3材料,并且也高于大多數(shù)的金屬氧化物和硫化物負(fù)極材料。因此,異質(zhì)結(jié)構(gòu)為硫化物儲鋰材料的發(fā)展提供了一種可行的方法。
[Abstract]:Vulcanizer (Bi2S3) is an important semiconductor material with a narrow band gap (Eg = 1.3e V), which is now widely used in sensors, photoelectric conversion and thermoelectric technology. In addition, the layered structure inherent in the Bi2S3 can accommodate the embedding of guest ions, and thus there is a potential application prospect in the storage of lithium and hydrogen. The thesis takes Bi2S3 as the research object to control the structure, morphology and electrochemical lithium-storage characteristics of the Bi2S3 material as the research contents. The system carries out the research of the controllable preparation, the structure modification, the composite modification and the electrochemical performance evaluation of this material, and has obtained some interesting research results. The specific research contents are as follows: (1) The carbon-coated Bi2S3 composite material with a disk-shaped braided structure is prepared in one step by a hydrothermal method, and the composition and the appearance of the final product are regulated by changing the reaction time and the reaction temperature. The results showed that a good disc-shaped Bi2S3 product was obtained by hydrothermal reaction at 180 鈩，

本文編號：2481771