过渡金属化合物-碳复合材料的合成及电化学储能研究

作     者：张珂 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭金学

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锂/钠离子电池 负极材料 过渡金属硫化物 石墨烯 完全分解水 电化学析氢 

摘      要：随着绿色能源需求的不断增加,高效储能装置引起了人们的极大关注。锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)由于其具有环保、高能量/功率密度和长循环寿命的优点,是目前研究较多的两种重要的储能系统。LIBs在便携式电子领域已经取得了巨大的商业成功,近年来,LIBs作为电动汽车(ev)和混合动力汽车(HEVs)的动力源在许多国家引起了极大的关注,尤其是在中国。然而,锂资源储量有限,与锂离子电池运行机制相似的NIBs,由于地球上钠元素丰富,近年来作为锂离子电池的替代品重新引起了人们的极大兴趣。为了实现LIBs和NIBs的高能量密度,开发高容量的电极材料,尤其是负极材料至关重要。为了开发高容量的负极材料,人们提出了各种各样的策略,如导电纳米碳结合,在纳米尺度上调整形貌和结构,以及增加层间距离等。与其他化石燃料相比,氢具有较高的重量能量密度和可再生能力,是一种很有前途的清洁、廉价的能源燃料。在各种制氢方法中,电解水被认为是未来氢经济的发展方向,因为它提供了一种绿色和可持续的方法来储存从太阳能和风能转化而来的电能。设计高性能的析氢催化剂是保证水电解能源效率的必要条件。尽管铂基材料等贵金属被认为是高效制氢的优良电催化剂,但其成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。因此,开发成本低、储备丰富、稳定性高、催化性能好的电催化剂是未来实现制氢的迫切需要。近年来,为寻求廉价的铂系贵金属电催化剂替代品,人们探索了大量非贵金属过渡金属基无机材料,如过渡金属合金、硫化物、磷化物、碳化物和氮化物等。改善活性位点数量和增强过渡金属基电催化剂的电导率对于增强其电化学析氢反应(HER)活性是至关重要的。另一方面,非金属元素(O,N,P)掺杂最近也被证明是改善催化剂性能的一个有前途的方法。本论文针对过渡金属硫化物的特点和存在的缺陷,结合石墨烯、泡沫镍等材料的优点,分别从材料组成、形貌、电极结构等方面对其进行了研究,以提高其电化学储锂/钠和电化学水分解性能,具体的研究工作如下:***在锂离子电池或钠离子电池的应用中显示出良好的应用前景,但实际应用中MoS存在动力学缓慢,体积膨胀严重等问题。我们以RGO为基底制备了层间扩展的VMoS纳米片,用作锂和钠的存储,均显示出优异的电化学性能。二维特性和高层间扩展结构不但缩短了离子传递的路径同时改善了扩散动力学。RGO基底增强了电导率,保持了材料的完整性。基于这些优点,该样品用作锂离子电池和钠离子电池的负极时,在1 A g的高电流密度下循环200圈后可逆容量分别保持在1081 mAh g和254 mAh g。2.此次工作中,通过一步水热法在还原氧化石墨烯上合成了钒和氮共掺杂的MoS纳米片,V,N-MoS/RGO纳米片的基底/边缘平面上引入新的缺陷位点并且扩展了层间距。该催化剂具有显著的催化性能,在68 mV的超低过电位下电流密度达到10 mA cm,同时Tafel斜率值仅为41 mV dec。其性能优于目前大多数MoS电催化剂。除了RGO底物能够加速电荷转移外,钒和氮掺杂剂在基底/边缘平面上触发新缺陷位点并扩展了复合物的层间距离,优化的电子结构和层间距离的扩大也是催化作用增强的原因。3.电化学水分解技术将可再生能源转化为无污染的化学燃料,是未来可持续能源体系的重要组成部分。在这次工作中,我们报告了一种双功能钒掺杂的NiS纳米棒阵列电极,用于在碱性介质中进行整体水分解。当电流密度为10 mA cm时,析氢过电位为133 mV,析氧过电位为148 mV,同时表现出较高的催化稳定性。优异的催化性能归因于V掺杂剂和纳米棒阵列的几何优势。V-NiS电极同时用作一个双电极电池中的阴极和阳极,用于整体水分解反应时,在1.421 V的电池电压下可提供10 mA cm的电流密度。该电池中的水分解也可由单节AA电池(1.5 V)实现驱动。本次工作显示了在用于水分解的有效双功能电催化剂的探索方面取得了实质性进展。