基于二硫化钼和硫化镍的纳米复合材料的制备及其应用研究

作     者：谢海涛 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊晓鹏

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：二硫化钼 硫化镍 复合材料 水热法 吸附 光降解 超电容 

摘      要：快速经济发展时代下的能源危机和生态环境污染问题已经逐渐呈现蔓延之势,而通过先进的方法开发以及制备出合适的能源替代材料和环境治理材料能够妥善地处理好这些全球性问题,并带动全社会的可持续发展。其中,过渡金属硫化物由于原料来源丰富和低生产成本,同时兼具良好的物理化学性质,成为各国学者重点关注的材料之一,其应用研究范围已经涵盖污水净化、电池、电容器、电子设备、电催化等众多能源和环境领域。在此基础上采用适当的方法将过渡金属硫化物与其他性能出众的材料以一定的方式结合制备成复合材料,通过组分间相互作用及其协同效应实现性能上的大幅度提升,从而可满足实际生产生活的需求。目前,已经有多种制备过渡金属硫化物复合材料的方法的报道,其中水热法具有易调控、产物纯度高等诸多优点。由此,本文主要使用水热合成法分别得到了 MoS2-rGO、TiO2/MoS2/rGO、Ppy/Ni3S2@Ni foam 这几种基于二硫化钼和硫化镍的过渡金属硫化物纳米复合材料,采用先进的方法表征其结构和性能,并研究它们在吸附、光催化降解和超级电容器相关方面的应用潜力。具体研究工作如下:多孔MoS2-rGO复合材料的制备及对刚果红的离效特异性吸附研究采用水热法在无表面活性剂的情况下成功制备了多孔的MoS2-rGO复合材料,并使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman spectroscopy)和X射线衍射(XRD)对材料的微观结构和组成进行了表征。结果显示,MoS2-rGO呈现出花状微球结构,直径为300nm左右,由石墨烯片层和MoS2片层堆积而成,且二者均匀分布。氮气吸附-脱附测试得到的材料的比表面积为44.4m2/g,平均孔径为35nm。同时,将所合成的MoS2-rGO材料作为吸附剂用于对有机染料刚果红的吸附实验。该复合材料对刚果红具有快速吸附特点,并且在pH为3时的达到440.9 mg/g的最大吸附量。运用多种模型来深入研究和分析吸附过程的动力学和热力学,结果表明吸附过程的动力学与Lagergren准一级动力学模型更加匹配,MoS2-rGO对刚果红的吸附符合Langmuir单层吸附理论。此外,对复合材料的带电情况做了相关测试以探究pH对吸附量的影响。根据测试结果,MoS2-rGO复合材料与刚果红间的π-π共轭作用对吸附起到了关键性作用。最后通过考察合成的吸附剂对其它几种阴离子染料的吸附性能以及在混合染料条件下的材料的选择性吸附行为,发现MoS2-rGO对刚果红展现出特异性吸附特性,从而在对刚果红的清除和富集有潜在应用。一步法制备多孔TiO2/MoS2/rGO复合材料及其用于对罗丹明B的光催化降解研究通过水热法合成了 TiO2纳米颗粒修饰的MoS2/rGO片状多孔结构材料,并通过调节TiO2的添加量,得到了多组不同配比的TiO2/MoS2/rGO多孔复合材料。SEM结果显示,在实验范围内,TiO2均匀分散,同时复合材料保持了均匀的片状多孔结构。随后,将所得的TiO2/MoS2/rGO多孔复合材料用作对有机染料罗丹明B的光催化降解,发现其相对于MoS2/rGO在紫外光下对罗丹明B的降解效果有明显增强,其中TiO2/MoS2/rGO-4在240 min后的染料降解率为90.5%,优于MoS2/rGO的45.1%。另外采用了准一级动力学模型对催化反应过程中的动力学进行了模拟,并通过紫外可见光漫反射和荧光光谱对降解活性物质的产生和淬灭做了探究,发现材料的光吸收利用率随着TiO2含量的上升而增大,同时电子-空穴的再结合能力也与TiO2的含量成正相关,说明影响光催化性能中的这两个因素中,光吸收利用率的影响占主导作用,并提出了可能的光催化降解机理。泡沫镍上聚吡咯(Ppy)/硫化镍(Ni3S2)核壳纳米结构材料的制备及在超级电容器中的应用研究通过使用水热法和电化学沉积结合的方法,在泡沫镍基板上制得了聚吡咯(Ppy)/硫化镍(Ni3S2)核壳纳米结构材料,并将其用于无粘结剂的单片超电容电极材料。电镜图结果证实,Ni3S2针棒状核层直径为200 nm左右,聚吡咯壳层厚度大约为300 nm。随后改变恒电位沉积时间得到了一系列Ppy/Ni3S2@Ni foam复合材料,并发现沉积时间的延长使得聚吡咯的含量增加,从而致使壳层之间的相互粘连形成致密层,从而改变了上述的核壳结构。此外,采用循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗等相关电性能测试研究了所得Ppy/Ni3S2@Ni foam核壳纳米结构的电化学性能,结果显示,沉积时间为50s时得到的Ppy/Ni3S2@Nifoam电极的面积比电容是Ni3S2@Ni foam电极的5倍以上,不仅如此,这种特殊的结构在降低各界面间的电阻同时还保持了结构的稳定性,使得材料在500次充放电后的电容保有率为93.6%。