【摘要】：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和對能源需求的不斷增加,人們對儲能設(shè)備和技術(shù)的需求也大大增加,為此科研工作者們在開發(fā)高效的能量轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)(例如太陽能電池、超級電容器和鋰離子電池)方面做出了巨大的努力。在眾多的儲能設(shè)備中,超級電容器以其高功率密度、長的使用壽命、低成本、環(huán)保等優(yōu)點,成為可持續(xù)和可再生能源的首要選擇。目前,超級電容器已經(jīng)在通信、交通、儲能、電子、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從根本上說,這些系統(tǒng)的性能直接取決于電極材料的性能。過渡金屬二硫化物具有與石墨烯相似的層狀結(jié)構(gòu),層與層之間通過范德華力相互作用,具有易剝離,易與其他物質(zhì)相結(jié)合等特性。此外,過渡金屬硫化物還具有豐富的氧化還原中心、高的理論電容等特性,被認為是一種很有應(yīng)用前景的電極材料。然而,采用單一一種過渡金屬二硫化物作為超級電容器的電極材料時,仍然存在能量密度低等缺點,嚴重限制了這類材料的廣泛應(yīng)用。導致這種現(xiàn)象的原因是過渡金屬硫化物的導電性差,而且也很容易發(fā)生團聚,其比表面積會大大降低,這些都大大降低了其在實際應(yīng)用中的性能。具有不同幾何和能帶排列的異質(zhì)結(jié)納米材料,由于其高質(zhì)量的異質(zhì)界面能實現(xiàn)有效的電子空穴分離,從而促進了電荷的快速轉(zhuǎn)移。因此,設(shè)計和制備具有理想空間結(jié)構(gòu)和良好導電性的過渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)納米材料將是提高這類材料性能的有效途徑。本論文制備了一系列的基于過渡金屬硫化物的異質(zhì)結(jié)納米材料,并對其結(jié)構(gòu)和電化學性能進行表征和測試。主要研究內(nèi)容包括:(1)采用了簡單的一步水熱法制備了花狀Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)納米材料,并將其作為高性能超級電容器的電極材料。在Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)納米材料中,MoS_2納米片與Bi_2S_3納米棒的表面緊密相連,形成優(yōu)越的異質(zhì)界面,有利于電子的快速傳導。另外,以Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)作為一個單元,組裝成三維花狀納米結(jié)構(gòu),為電化學過程中的離子遷移提供了額外的軌跡。作為超級電容器的電極材料,當電流密度為1 A g~(-1)時,比電容達到3040 F g~(-1),當電流密度增加到30 A g~(-1)時,電容保持在1258 F g~(-1)。經(jīng)過5000次循環(huán)后,制備的花狀Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)在電流密度為10 A g~(-1)下的電容保留率高達92.8%,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)電極材料不僅充分利用了Bi_2S_3納米棒和MoS_2納米片的優(yōu)良的贗電容行為,而且還產(chǎn)生了兩種材料的協(xié)同效應(yīng)。因此,所制備的Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)電極材料具有較高的電容和較好的倍率性能,且比單組分樣品具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。過渡金屬硫化物之間合理的異質(zhì)結(jié)設(shè)計為高性能電極材料和新一代的電儲能系統(tǒng)提供了一種新思路。(2)采用簡單的水熱法合成了三維花狀MoS_2-CoSe_2異質(zhì)結(jié)納米材料。CoSe_2納米片的原位生長不僅能產(chǎn)生高質(zhì)量的異質(zhì)界面,而且還能形成三維多孔結(jié)構(gòu),從而增強了電子的傳導,避免了重排和嚴重的聚集。由于這些獨特的結(jié)構(gòu)特點,所制備的三維花狀MoS_2-CoSe_2異質(zhì)結(jié)納米材料展示了優(yōu)異的電化學性能。在電流密度為1 A g~(-1)的條件下,制備的MoS_2-CoSe_2電極材料的比容量高達1889 F g~(-1),當電流密度增加到20 A g~(-1)時,仍能保持896 F g~(-1)的電容。此外,在電流密度為20 A g~(-1)的情況下,經(jīng)過5000次循環(huán),電容保留率為91.03%,表明材料可保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性。分別以MoS_2-CoSe_2為正、負電極組裝的水系對稱電池,在功率密度為800 W kg~(-1)時,具有較高的電壓值(1.6 V)和顯著的能量密度(60.1 W h kg~(-1)),并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性(2000次循環(huán)后電容保持率為83.62%)。(3)采用簡單的水熱法成功的制備了不同質(zhì)量比的Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料。由于它具有比表面積大、導電性好等優(yōu)點以及Ni(OH)_2與VS_2之間的協(xié)同作用,在用作超級電容器電極材料時,Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料均表現(xiàn)出比單組分更加優(yōu)異的電化學性能。當Ni(OH)_2與VS_2質(zhì)量比為5:1時,Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)電極材料在電流密度為1 A g~(-1)的時,比電容最高可達到4021 F g~(-1),且在電流密度為5 A g~(-1)下進行500次充放電測試,電容保持率仍在80%以上。采用該方法制備的異質(zhì)結(jié)納米材料具有良好的電化學性能,且材料價廉易得具有很好的經(jīng)濟效益,在超級電容器中有著廣闊的應(yīng)用前景,使Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料成為具有吸引力的電極材料。(4)采用在酸性條件下原位聚合法合成PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料,并研究了苯胺含量的不同對其電化學性能的影響,經(jīng)過條件優(yōu)化后,我們得出,當VS_2用量固定為60 mg時苯胺含量為2.76 mL時,所得PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料電化學性能最好。在PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料中,納米線和納米片的組合結(jié)構(gòu)提供了一個相對較短的擴散途徑,提高活性物質(zhì)的利用率。電化學性能研究結(jié)果表明,在電流密度為1 A g~(-1)下,比電容最高達到2077 F g~(-1),同時具有良好的循環(huán)性能,在電流密度為5 A g~(-1)時,循環(huán)500次后,比電容保持率為96%,是一種具有實際應(yīng)用前景的電極材料。
【學位授予單位】：信陽師范學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TM53

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Nasir Mahmood;Muhammad Tahir;Asif Mahmood;楊文龍;古興興;曹傳寶;張亞文;侯仰龍;;陰離子對氮摻雜石墨烯修飾金屬雙氫氧化合物結(jié)構(gòu)與贗電容性能的影響（英文）[J];Science China Materials;2015年02期

2 周穎;王道龍;王春雷;金新新;邱介山;;Synthesis of boron, nitrogen co-doped porous carbon from asphaltene for high-performance supercapacitors[J];Chinese Physics B;2014年08期

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本文編號：2617580