基于原位生长制备的镍钴前驱体和硫化物及其电化学性能研究

作     者：梅文岑 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗广圣;刘谨

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 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：超级电容器 原位生长 金属有机骨架材料 镍钴硫化物 电化学性能 

摘      要：具有快速充放电能力、高比电容和良好循环稳定性的高性能超级电容器,受到了全球的普遍关注和重点研究。金属有机骨架材料(简称MOFs),是由金属离子(如Ni、Co)或金属团簇通过配位键等作用力,与有机配体(如PTA、BTC)通过自组装形成的纳米多孔结构,由于其独特的骨架结构展现出高比表面积、高孔隙率和良好稳定性等优点,被认为是超级电容器多孔电极的理想材料。本论文通过简单的一步水热法,结合原位生长技术,通过改变金属离子配比、水热温度等条件来调控微观形貌,成功制备出性能优异的Ni/Co-MOFs前驱体、硫化物及复合材料。(1)第一部分:本部分通过调控Ni、Co离子配比和反应温度,采用一步水热法,探讨其对Ni/Co-MOFs前驱体电化学性能的影响。在160℃和Ni:Co=2:1时,前驱体的性能最佳,在1 A g下,其比电容可达804.2 F g。在此基础上,本文提出了一种在泡沫镍上直接水热生长Ni/Co-MOFs前驱体的新型水热策略。结果表明,在相同条件下(160℃,Ni:Co=2:1),原位生长法制备的Ni/Co-MOFs前驱体的比电容高达1194.7 F g,性能较前者显著提高48.6%。(2)第二部分:在第一部分的基础上,对性能最优异的样品(160℃,Ni:Co=2:1)进行硫化处理。首先在干净的泡沫镍(NF)上水热生长出Ni/Co-MOFs前驱体,然后通过调控硫化时间,将其转化成NiCo S。和预期一样,NiCo S(硫化6 h)在1 A g下展现出2039.2 F g的比电容,并且在10 A g保持了初始比电容的72.8%。此外,本文通过3000次充放电测试结果发现,该样品仍保持了81.5%的初始容量,表现出卓越的循环性能。(3)第三部分:在第二部分的基础上,对硫化6 h的样品进行复合处理。首先,选择一片硫化6 h后的泡沫镍,通过加入特定比例的NaMo O·2HO和硫脲来引入Mo S,在120℃下水热反应6 h制备出了Mo S@NiCo S复合电极材料。结果表明,在1 A g下,其比电容达到2568.2 F g。得益于这种纳米花网状结构,该样品在10 A g保持了1 A g时电容的75.2%,并经过5000次循环测试仍保持了80.7%的初始容量。此外,本文使用所制备的电极材料组装了混合型超级电容器装置Mo S@NiCo S//活性炭,并进行电化学测试。结果表明,Mo S@NiCo S//活性炭器件在938.9 W kg的功率密度下,获得了54.5 Wh kg的高能量密度;在4432.3 W kg的功率密度下,获得了42.6 Wh kg的高能量密度。同时,经过5000次充放电测试仍能保持85.7%。