过渡族双金属硫化物的制备及电化学性能研究

作     者：申嘉钧 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑佳红

授予年度：2023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）] 0702[理学-物理学] 

主      题：超级电容器 双金属硫化物 空心结构 异质结构 电化学性能 

摘      要：化石燃料为工业和社会的快速发展提供能源支持,然而其不可再生的特性及长久以来的过度消耗已经对生态环境造成严重损害,不可避免的波及到人类社会的生存和发展。随着人类对环境危害的正确认知逐渐加深及科技水平的进步,环境友好型的可再生能源在能源结构中发挥着中流砥柱的作用,可有效缓解上述危害。受限于天气依赖等因素,可再生能源往往不能为器件持续提供能量,因此研发出电化学性能优异的储能设备意义重大。超级电容器凭借其高功率密度和超长的使用寿命等优点,在储能设备领域备受瞩目。在超级电容器组成部件中,电极材料对器件性能优劣起着关键作用,因此开发各项电化学性能优异的电极材料具有深远的影响。本文选择双金属硫化物作为研究对象,探究反应条件对材料电化学性能的影响。具体研究内容如下:1.以CuO为模板,采用牺牲模板法和离子交换法制备出NiCoS中空纳米球。受益于介孔、中空结构以及过渡族双金属的协同效应,NiCoS中空纳米球在电流密度1A/g时具有960.9 F/g的比电容,在20 A/g电流密度下循环充放电2500圈后比电容保持率为81.5%。此外,以NiCoS与活性炭(AC)为正、负极组装混合型超级电容器NiCoS//AC(ASC),在800 W/kg时可以提供45.7 Wh/kg的能量密度,在6 A/g电流密度下5000圈充放电循环后比电容为初始值的79.6%。2.采用乙酸镍、乙酸钴为原料,还原型谷胱甘肽(GSH)为形貌控制剂和硫源,通过水热法制备NiCoS电极材料,并研究了水热反应时间对NiCoS微观结构、形貌、电化学性能的影响。结果表明:在GSH作用下制备的NiCoS材料呈现“蛋黄-蛋壳形貌,当电流密度为0.5 A/g时比电容为1552.7 F/g,在电流密度为10 A/g下可以保持61.3%的比电容,在20 A/g电流密度下经过2000圈循环后NiCoS电极材料的比电容保持率为79.3%。分别以NiCoS与AC为正、负极组装ASC器件,NiCoS//AC ASC在功率密度为800 W/kg时可以提供33.9 Wh/kg能量密度,在6 A/g电流密度下经过2000圈充放电循环后样品的比电容保持率为89%。3.采用简单且用时短的方法,在泡沫镍上水热生成Mn S/NiS电极材料,并研究水热反应温度和反应时间对样品的形貌、电化学性能的影响。结果表明:Mn S/NiS电极材料在1 A/g电流密度下具有2825.6 F/g的比电容,且倍率性能优异。在50 A/g电流密度下经过2500圈充放电循环后比电容的保持率为90%。以AC为负极、Mn S/NiS为正极组装ASC器件,Mn S/NiS//AC ASC具有30.2 Wh/kg能量密度(700 W/kg),器件在5 A/g电流密度下经过3000圈充放电后比电容保持率为116.0%。4.以泡沫镍作为基底,采用水热法原位生长出具有片状结构的NiMoO,经过硫化改性合成NiMoO/NiMoS复合材料,并研究水热时间、硫脲添加量对材料形貌、电化学性能的影响。结果表明:NiMoO/NiMoS电极在1 A/g电流密度下具有1560.7 F/g的比电容,是前驱体NiMoO电极(510.5 F/g)比电容的3倍,在40 A/g电流密度下充放电2000次后比电容可保持76.7%。与AC组装的ASC器件NiMoO/NiMoS//AC ASC最高具有29.0 Wh/kg的能量密度(400 W/kg),在5 A/g电流密度下经历2000圈充放电后比电容保持率为85.6%。