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锡基硫化物室温气体传感器制备与性能研究

锡基硫化物室温气体传感器制备与性能研究

作者：苏虎音华中科技大学

学位级别：硕士

随着物联网和人工智能的发展,对新一代高灵敏、低功耗以及智能化的气体传感技术提出了迫切的需求。当前普遍使用的金属氧化物气体传感器性能优异但存在工作温度较高等问题。金属硫化物因其禁带宽度较窄,形貌和缺陷易于调控引起了广泛关... 详细信息

随着物联网和人工智能的发展,对新一代高灵敏、低功耗以及智能化的气体传感技术提出了迫切的需求。当前普遍使用的金属氧化物气体传感器性能优异但存在工作温度较高等问题。金属硫化物因其禁带宽度较窄,形貌和缺陷易于调控引起了广泛关注,其中环境友好型的锡硫化物SnS和SnS是非常有前景的室温敏感材料。本论文围绕两种锡硫化物,通过水热合成、异质复合与掺杂调控等方法,设计并制备出高灵敏、长期稳定的室温NO气体传感器。采用水热法通过改变合成条件分别制备了SnS量子点、SnS纳米片和SnS量子点/SnS纳米片复合材料。基于自主搭建的动态配气系统对三种材料气敏性能进行测试,结果表明,在室温与50%相对湿度条件下,SnS量子点传感器对20 ppm NO表现出p型响应且响应值为1.8,而SnS和SnS/SnS复合物对1 ppm NO表现出n型响应且响应值分别为5.7和11.6。对比分析认为,SnS/SnS复合材料中p-n结异质界面的存在有助于提升室温气敏效应。以上述制备的SnS/SnS复合材料为研究重点,通过Ce掺杂进一步优化室温气敏性能,研究了Ce掺杂量对复合材料结构与形貌的影响规律及其与气敏性能的构效关系。对不同浓度Ce掺杂的SnS/SnS材料进行多种表征手段分析,结果表明,通过改变Ce掺杂量可以调控复合材料中SnS量子点晶粒尺寸和数量;动态气敏测试结果表明,随着铈掺杂量增加,SnS/SnS复合材料对NO的灵敏度先增大再减小,当掺杂量为1%时表现出最佳性能,对1 ppm NO响应值提升到22.1,响应/恢复时间为30 s/45 s,能检测浓度低至1 ppb的NO气体,并且具有良好的长期稳定性。通过第一性原理计算结合扫描透射电子显微镜、紫外光电子能谱等表征手段研究Ce掺杂对SnS/SnS复合材料气敏性能的调控机理。分析认为,Ce掺杂在SnS量子点表面晶格中形成Sn-S-Ce键对SnS量子点成核与生长具有抑制作用,通过调控Ce掺杂比例可在SnS纳米片气敏材料表面形成尺寸与数量合适的SnS量子点,优化复合材料的固-固异质界面,增进固-气界面电荷转移与载流子传输,并提高空气稳定性。

关键词：气体传感器低功耗锡基硫化物异质界面掺杂

锡基硫化物/石墨烯复合材料的储能机理及其电化学性能研究

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锡基硫化物/石墨烯复合材料的储能机理及其电化学性能研究

作者：房灵哲南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,由于钾资源储量丰富且分布广泛,钾离子电池在大规模储能上的应用受到了研究人员的关注。目前对于钾离子电池的研究尚处于初始阶段,碳材料的比容量较低,像石墨的理论容量只有279 mAh g。报道的转化类和合金类材料虽然拥有大的比容... 详细信息

近年来,由于钾资源储量丰富且分布广泛,钾离子电池在大规模储能上的应用受到了研究人员的关注。目前对于钾离子电池的研究尚处于初始阶段,碳材料的比容量较低,像石墨的理论容量只有279 mAh g。报道的转化类和合金类材料虽然拥有大的比容量,但其差的循环稳定性和高的放电电压区间限制了他们的进一步发展,而且一些材料的储能机理尚不清楚。因此,本文旨在通过低温溶剂热一步法制备锡基硫化物/石墨烯复合材料,通过一些列表征探究了其储能机理及电化学性能,这对未来钾离子电池负极材料的发展具有借鉴及指导作用。本论文的主要研究内容如下:(1)本论文通过简易低温溶剂热法制备了纯的SnS及SnS@rGO-x复合材料,分析了不同石墨烯含量对SnS@rGO-x的形貌及电化学性能的影响,并通过非原位XRD、TEM和XPS对SnS的储能机理进行了研究。实验结果表明,通过控制石墨烯的相对含量可以调控SnS的层数和形貌,SnS@rGO-2作为钾离子电池负极材料呈现出了高的可逆比容量,优异的倍率性能和好的循环稳定性。在50 mA g的电流密度下可逆比容量为448 mAh g,100次循环后仍有400 mAh g的容量。在1 A g的高电流密度下可逆比容量为247 mAh g,300次循环后容量保持率为73%。电化学分析表明钾离子在SnS@rGO-2中的扩散最快且SnS@rGO-2有高的表面赝电容储能。对其储能机理的分析表明在放电过程中SnS经历了转化反应和两步合金化反应,放电的最终产物为KSn和NaS且转化反应是部分可逆的。(2)本论文通过简易低温溶剂热法制备了非晶SnMo(1-x)/2)S@rGO复合材料并研究了其电化学性能,为非晶材料的合成及对锡基材料的优化提供了新的观点。非晶材料的各向同性的性质使其离子扩散速率要大于与之对应的结晶材料,而且有利于缓解循环过程中的体积膨胀问题。本实验通过XRD、TEM、XPS等测试对SnMo(1-x)/2)S@rGO的物理性质进行了表征。SnMo(1-x)/2)S@rGO-2作为钾离子电池负极材料呈现出了高的可逆比容量,优异的倍率性能和好的循环稳定性。在50 mA g的电流密度下可逆比容量为342mAh g,50次循环后仍有310 mAh g的容量,容量保持率为90.6%。

关键词：钾离子电池锡基硫化物非晶负极材料电化学性能

锡基硫化物/碳复合材料的制备及电化学性能研究

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锡基硫化物/碳复合材料的制备及电化学性能研究

作者：林健大连海事大学

学位级别：硕士

锂离子电池负极材料是锂离子电池的核心材料之一,改良负极材料对提高锂离子电池的总体性能有着较大影响。锡基硫化物材料具有安全性高、无毒和质量及体积比容量高等优点被认为是很有前景的石墨替代负极材料,但锡基硫化物在充放电过程中... 详细信息

锂离子电池负极材料是锂离子电池的核心材料之一,改良负极材料对提高锂离子电池的总体性能有着较大影响。锡基硫化物材料具有安全性高、无毒和质量及体积比容量高等优点被认为是很有前景的石墨替代负极材料,但锡基硫化物在充放电过程中发生合金化和去合金化过程,导致巨大的体积膨胀引起电极结构发生破坏,电极容量急剧下降。为了克服这个问题,通常采用制备特殊形貌的锡基硫化物和与碳材料进行复合的方法,以此提高其导电性和缓解其在充放电过程中的体积膨胀。本文针对SnS2和SnS特殊微观形貌的制备以及对其电化学性能的影响进行了两方面研究:（1）采用水热法通过改变反应时间制备不同形貌SnS2。研究发现随着反应时间的延长,SnS2逐渐由片状结构转变为多级微纳结构,片状结构和多级微纳结构SnS2在100 mA/g电流密度下循环100次以后放电比容量分别为368.5 mAh/g和232.2mAh/g。（2）通过水热法和热处理制备出微米颗粒、棒状和多级微纳结构SnS,在100 mA/g电流密度下经过100次循环以后微米颗粒、棒状和多级微纳结构SnS放电比容量分别为232 mAh/g、276 mAh/g和121 mAh/g。首次采用以油菜花粉为生物模板制备出比表面积为900.5 m2g-1多孔球状碳,通过水热法与二硫化锡进行复合。研究发现含碳量为14%SnS2/多孔球状碳复合材料在100 mA/g电流密度下经过50次循环以后放电比容量为412.9 mAh/g。为了实现锡基硫化物在未来商业化中的应用,通过水热法将二硫化锡与商用石墨烯导电碳粉（GCP）相结合得到SnS2/GCP复合材料,SnS2/GCP复合材料在100 mA/g电流密度下循环100次以后放电比容量仍能保持在795.6 mAh/g,并且具有较好的倍率性能。进一步将近年来热门研究的多壁碳纳米管与锡基硫化物进行复合。研究发现SnS@MWCNTs复合材料中,颗粒状SnS很好的镶嵌在多壁碳纳米管表面,在100 mA/g电流密度下经过100次循环后可逆比容量仍然维持在468.5 mAh/g。

关键词：锂离子电池碳复合材料锡基硫化物水热法电化学性能

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锡基硫化物纳米材料的制备及性质研究

锡基硫化物纳米材料的制备及性质研究

作者：王硕吉林大学

学位级别：硕士

随着现代科技的快速发展,人们对于半导体纳米材料的研究投入了越来越多的热情。半导体纳米材料具有众多优良的性质,由于其尺寸的优越性,纳米材料具有很多体相材料所不具备的独特的性质。合成纳米材料的方法日益繁多,人们对于纳米材料在... 详细信息

随着现代科技的快速发展,人们对于半导体纳米材料的研究投入了越来越多的热情。半导体纳米材料具有众多优良的性质,由于其尺寸的优越性,纳米材料具有很多体相材料所不具备的独特的性质。合成纳米材料的方法日益繁多,人们对于纳米材料在尺寸上、形貌上、以及光学性能上的可控制备逐渐成熟,能够成功制备满足人们需求的,高效环保的纳米材料。纳米材料在磁学、光学、医学、传感、军事等方面都有着十分广泛的应用。目前,对于纳米材料在太阳能电池、各种光伏器件领域的应用是许多科研工作者研究的热点,发现并研究具有优秀光电性能的纳米材料是一个重要的研究方向。在众多的半导体纳米材料中,目前比较理想的薄膜光伏材料是I-III-VI族的硫化物。然而,因其中所含的稀有金属,如铟和镓,供给量有限,价格日益上涨,开发储量丰富、价格低廉的可替代的材料迫在眉睫。SnS2作为一种重要的锡基二元硫化物,其组成元素,锡元素和硫元素,在地球上储量丰富,价格低廉,且无毒无害,环境友好,是一种理想的金属化合物。SnS2纳米材料在近些年吸引了许多关注的目光,其可应用范围包括:钠离子电池、锂离子电池电极材料,气敏传感器、发光材料、光催化材料、光电传感器及太阳能电池材料等等。由于锡基硫化物优秀的性质,一系列的二元、三元及多元的锡基硫化物已经被成功制备出,并且被广泛应用于许多的前沿科技领域。那么,进一步研究新型的锡基硫化物,制备性能优异的新型材料,值得深入研究。目前对于SnS2纳米材料的光电性能探究还处于初级阶段,本论文针对这一问题进行了研究。此外,成功制备出两种新型锡基硫化物材料,对发展锡基硫化物的研究具有重要的意义。论文的主要内容总结如下:1.通过两种合成手段,制备出不同尺寸的SnS2纳米材料,以油相合成法制备5 nm的SnS2纳米粒子,以溶剂热合成法制备450-500 nm的SnS2纳米片。分别对两个尺寸的SnS2纳米材料进行光暗电流测试,对比和分析的结果表明:SnS2纳米粒子的光电流为暗态电流的3倍,SnS2纳米片的光电流约为暗态电流的7倍,SnS2纳米片具有更合适的光学带隙和更利于光生电荷传输的片状结构,SnS2纳米片相较于SnS2纳米粒子具有更优异的光响应能力。2.通过溶剂热法,成功制备出新型Zn2SnS4三元化合物。扫描电镜和XRD的研究结果表明:Zn2SnS4具有多层纳米片结构且属于立方晶系反尖晶石型结构。光暗电流测试结果表明,电流值随施加偏压增大而增加,光电流比暗态电流提升了10倍,光暗开关电流的测试表明,在数次循环过程中,材料能够保持对光响应的灵敏度和稳定性。利用该方法,成功制备了Cd2SnS4化合物,XRD的研究表明:制备的Cd2SnS4有类似于Cd2SnO4的晶体结构,其性质和晶体属性有待进一步研究。

关键词：纳米材料锡基硫化物光电性质太阳能电池

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锡基硫化物复合材料的合成及其储钠性能研究

锡基硫化物复合材料的合成及其储钠性能研究

作者：林建厦门大学

学位级别：硕士

锡基硫化物作为转换和合金复合型的储钠电极材料,因其具有高的理论容量,丰富的资源等优点在众多的负极材料中脱颖而出。然而,在充放电循环过程中,锡基硫化物材料会不可避免地发生剧烈且不可逆的体积膨胀,从而导致电极的快速粉碎。除此之... 详细信息

锡基硫化物作为转换和合金复合型的储钠电极材料,因其具有高的理论容量,丰富的资源等优点在众多的负极材料中脱颖而出。然而,在充放电循环过程中,锡基硫化物材料会不可避免地发生剧烈且不可逆的体积膨胀,从而导致电极的快速粉碎。除此之外,材料本身较差的电导率和迟缓的反应动力学还会导致材料急剧的容量衰减和倍率性能的恶化。上述问题极大的限制了锡基硫化物的应用。本文通过设计异质结构,与碳材料复合等策略,制备了具有异质结构的锡基硫化物复合材料来缓解上述问题,并对其进行了较为系统的电化学性能研究。本论文的主要研究工作如下:(1)通过巧妙设计,采用简单的水热法配合后续氩气气氛下的煅烧,成功的构建了一种具有异质结构的空心管状Sb2S3@SnS@C复合材料。DFT计算结果揭示了异质结Sb2S3@SnS自建的内置电场极大地促进了离子扩散和电荷转移。Sb2S3气相蒸发产生的空心结构为材料在循环过程中产生的体积膨胀提供了预留内空间,并增加了反应面积。此外,壳层的碳作为保护层也能够有效地缓解体积膨胀。得益于上述的材料的设计和独特的结构,Sb2S3@SnS@C复合材料电极表现出了出色的倍率性能和极好的循环稳定性:在1 A g-1电流密度下循环200次后,仍然保持了 442 mAhg-1的高容量;在5.0 A g-1的电流密度下循环1300次后,仍保留了 200mAhg-1的容量。(2)以水热方法制备花状SnS2,并以此为基底进行表面氧化,得到SnS2@SnO2异质结。随后,在SnS2@SnO2外面包覆多巴胺之后碳化生成SnS2@SnO2@C复合物。得益于异质结构的存在与碳层缓冲体积膨胀的作用,SnS2@SnO2@C电极展示了优异的电化学性能:在0.2Ag-1下循环100圈后保留了 376mAhg-1的比容量,在1.0Ag下循环350圈保留有197 mAhg-1的比容量。

关键词：钠离子电池锡基硫化物负极材料异质结

锂/钠离子电池负极材料锡基硫化物的制备与电化学性能研究

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锂/钠离子电池负极材料锡基硫化物的制备与电化学性能研究

作者：郑捷华南理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池是目前使用最广泛的储能器件,也是储能领域最受关注的研究热点。负极作为电池的关键材料,对电池的电化学性能有着至关重要的影响。目前锂离子电池商用负极材料为石墨材料,但石墨材料理论比容量较低,且存在一定安全隐患。此外... 详细信息

锂离子电池是目前使用最广泛的储能器件,也是储能领域最受关注的研究热点。负极作为电池的关键材料,对电池的电化学性能有着至关重要的影响。目前锂离子电池商用负极材料为石墨材料,但石墨材料理论比容量较低,且存在一定安全隐患。此外,传统石墨材料并不适用于钠离子电池,因此亟需寻找能与之匹配的高性能负极材料。基于此背景,研究人员将重点集中在转化-合金型负极材料上。由于具有高的理论比容量和独特的二维层状结构优势,锡基硫化物(SnS和SnS)得到了广泛的研究。但由于其在充放电过程中易发生巨大的体积膨胀效应,导致锡基硫化物循环性能极差。因此,本论文的研究工作将致力设计和开发可显著提高SnS和SnS在作为锂/钠离子电池负极材料时的循环寿命的有效策略,从而改善SnS和SnS的储锂/储钠性能。三部分研究工作摘要如下:1.提出了一步法烧结合成锂离子电池SnS基负极材料新策略,得到的自支撑式电极,可直接用作负极组装电池。采用低成本,高吸水性滤纸作为碳纸基底前驱体,滤纸经碳化后保留了三维碳纤维结构,可促进电荷及离子转移;葡萄糖经碳化后形成碳保护层,可抑制SnS在循环过程中的体积膨胀。所得材料在0.5 A g电流密度下充放电循环200圈后可逆容量为696.2 mAh g,在大倍率(2.0 A g)下可逆容量仍可达到562.3 mAh g。该方法简单易行,成本低廉,具有一定的实际应用价值。2.以SnS作为研究对象,提出了一种有效延长转化-合金型锂离子电池负极材料循环寿命的新策略。通过对二氧化钛纳米管阵列进行氢气烧结处理,增加其表面氧空位浓度,从而提升SnS与TiO之间的化学结合力。并在SnS表面包覆聚吡咯层以抑制体积膨胀。所得到的H-TiO@SnS@PPy具有极佳的循环性能,在2.0 A g下循环2000圈后可逆容量仍有508.7 mAh g,容量保持率高达89.7%。结合第一性原理计算结果和实验结果可以证明TiO氧空位浓度的增加可促进其与SnS的化学结合力,从而大幅延长SnS负极材料的循环寿命。3.提出简易有效的一步烧结法合成长寿命SnS/三维氧化还原石墨烯钠离子电池负极材料的新策略。通过对石墨烯表面进行电荷修饰,使其可与SnS前驱体溶液中的络合离子以静电作用力结合,以实现SnS纳米颗粒在石墨烯网络中的均匀分散。所得到的SnS@3DRGO复合材料表现出优异的循环性能和倍率性能。在2.0 A g电流密度下循环700圈后,比容量仍保持在401.1 mAh g,容量保持率达75.4%。在1.0、2.0、3.0和5.0 A g电流密度下的可逆容量分别为608.6、540.9、502.7和449.3 mAh g。综上所述,本论文工作为制备低成本,长寿命和高容量的锂离子电池与钠离子电池锡基硫化物(SnS和SnS)负极材料提供了新的策略和思路。

关键词：锂离子电池钠离子电池负极材料锡基硫化物电化学性能

锡、铟基硫化物的合成及其在光电化学传感器中的应用

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锡、铟基硫化物的合成及其在光电化学传感器中的应用

作者：刘德玲济南大学

学位级别：硕士

光电化学（PEC）传感技术是基于电化学方法发展而来的一种新的检测方法。PEC传感器是以光作为激励源,以输出电流作为检出信号,通过激发与检测形式的分离降低了背景信号的干扰,提高了传感器的灵敏度。PEC检测过程的两个重要环节分别为光... 详细信息

光电化学（PEC）传感技术是基于电化学方法发展而来的一种新的检测方法。PEC传感器是以光作为激励源,以输出电流作为检出信号,通过激发与检测形式的分离降低了背景信号的干扰,提高了传感器的灵敏度。PEC检测过程的两个重要环节分别为光电转换过程和生物识别过程。其中,光活性材料的光电转换过程是PEC信号的主要来源,性能优良的光活性材料对于光电化学传感分析具有重要意义。然而,大多数光活性材料存在可见光利用率低、带隙宽度大等缺点。本文通过对锡、铟基硫化物的光电化学性能进行改性,制备具有较高光电转换性能的光敏材料并结合生物识别过程构建PEC传感器。主要的工作包括:（1）制备了一种基于二硫化锡/硫化锡/硫化铋（SnS/SnS/BiS）作为光活性基质、ZnCdS@NPC-ZnO作为信号标记物的夹心型PEC免疫传感器。首先,采用一步溶剂热法直接合成SnS/SnS并形成p-n异质结。然后,在SnS/SnS表面原位生长BiS,极大地提高了可见光的捕获率,增强了PEC信号。将ZnCdS纳米颗粒包覆在具有良好吸附性能的氮掺杂多孔碳氧化锌（NPC-ZnO）表面得到ZnCdS@NPC-ZnO,然后以此作为二抗（Ab）标记物来提供双信号响应。NPC-ZnO以及ZnCdS的卓越性能可以加速光诱导电子的转移,进一步提高了PEC免疫传感器的灵敏度。作为实践证明,我们利用该传感器检测样品中的细胞角蛋白19片段21-1（CYFRA 21-1）。实验结果表明,所设计的PEC免疫传感器对CYFRA 21-1在0.1 pg/mL-100 ng/mL范围内具有线性响应,检出限（LOD）为0.06 pg/mL（S/N=3）。（2）制备了一种基于（Ce,Ag）:SbWO/AgS/InS复合材料的信号增强型PEC免疫传感器用于神经元特异性烯醇化酶（NSE）的灵敏检测。在本项工作中,掺杂铈和银的SbWO(（Ce,Ag）:SbWO)作为光活性基体,可以发现Ce和Ag的存在,不仅可以使SbWO的形貌发生很大的变化,而且还表现出了较好的PEC行为。为进一步提高（Ce,Ag）:SbWO的可见光利用率,在（Ce,Ag）:SbWO表面修饰硫化铟（InS）以增强其可见光吸收。而且通过（Ce,Ag）:SbWO的自牺牲部分形成的硫化银（AgS）,可以进一步扩大对可见光的吸收。这里,将硫化镉/聚多巴胺（CdS/PDA）作为Ab标记物进一步放大信号。特别地,PDA作为电子供体能有效去除光致空穴。同时,CdS与SbWO之间良好的能级匹配结构可以促进光生电子的迁移,提高PEC响应,实现对NSE的灵敏检测。在0.1 pg/mL-50 ng/mL的浓度范围内,光电流随NSE浓度的增加而增加,且与NSE浓度的对数成比例关系,检出限为1.57 fg/mL。（3）制备了一种基于WO/InS的新型自增强型PEC免疫传感器。在本项工作中,自组装的Pt/ZnO/BiS电极取代传统的Pt电极作为对电极,WO/InS作为基底材料,构建了一种可以灵敏检测糖类抗原19-9（CA19-9）的PEC免疫传感器。其中,光电阴极（即Pt/ZnO/BiS）产生的光生空穴与光电阳极（即WO/InS）产生的光生电子结合,显著地促进了光生电子-空穴对的分离,使得所制备的PEC免疫传感器的光电流有了明显地提升。特别地,与传统的Pt电极相比,Pt/ZnO/BiS电极作为对电极时的光电流提升了2.30倍。在最优实验条件下,实现了对CA19-9的灵敏检测,线性范围为0.1pg/mL-100 ng/mL,检测限为0.026 pg/mL。

关键词：锡基硫化物铟基硫化物光电化学免疫传感器信号放大

SnS_(2)/SnS/NC异质结构微米花的构筑及储钾性能探究

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信阳师范学院学报（自然科学版） 2024年第2期37卷 141-146页

作者：曹康哲何亚楠王思甜付金金刘会俏信阳师范大学化学化工学院/信阳市低碳能源材料重点实验室河南信阳464000

采用水热法制备SnS_(2)微米花(MFs),以聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)作为还原剂和缓冲基质,合成了SnS_(2)/SnS/NC异质结构微米花(SSNC MFs)作为钾离子电池负极材料。SnS_(2)和SnS形成的异质界面加快了电荷的转移,进而改善了电化学动力学... 详细信息

采用水热法制备SnS_(2)微米花(MFs),以聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)作为还原剂和缓冲基质,合成了SnS_(2)/SnS/NC异质结构微米花(SSNC MFs)作为钾离子电池负极材料。SnS_(2)和SnS形成的异质界面加快了电荷的转移,进而改善了电化学动力学。同时,NC增强了复合材料的导电性和结构稳定性。因而,SSNC MFs电极在0.1 A/g下,循环50周的可逆比容量为492.4 mAh/g,2.0 A/g下仍保持在199.6 mAh/g,远大于相同测试条件下的SnS_(2) MFs电极(分别为132.1和28.4 mAh/g),表现出显著提升的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。

关键词：钾离子电池负极材料锡基硫化物异质结构储钾性能

静电纺丝硫化锡基复合纳米纤维及其储钾性能研究

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静电纺丝硫化锡基复合纳米纤维及其储钾性能研究

作者：李瑞玲福建师范大学

学位级别：硕士

在传统化石能源持续匮乏和环境污染加剧的时代背景下,锂离子电池（LIBs）作为主导便携式电子设备和电动汽车领域的商用可充电电池已较为成熟。然而,锂资源的稀缺性、不均匀的地理分布和高成本阻碍了其大规模的储能应用。因此,迫切需要... 详细信息

在传统化石能源持续匮乏和环境污染加剧的时代背景下,锂离子电池（LIBs）作为主导便携式电子设备和电动汽车领域的商用可充电电池已较为成熟。然而,锂资源的稀缺性、不均匀的地理分布和高成本阻碍了其大规模的储能应用。因此,迫切需要经济廉价的新兴储能设备来替代LIBs。由于钾在地壳中丰度高、分布均匀、成本低以及钾离子电池（PIBs）与LIBs相似的工作原理,PIBs引起了广泛的研究兴趣。与钠离子电池（SIBs）相比,K/K的氧化还原电位较低,因此赋予PIBs相对较高的输出电压和较高的理论能量密度。目前关于PIBs的研究正处于起步阶段。在众多负极材料中,碳材料的比容量较低,如石墨的理论比容量只有279 m Ah g。基于转化合金化的过渡金属硫化物材料,尤其是硫化锡（SnS）、硫化亚锡（SnS）,由于其环境友好、独特的层状结构和较高的理论容量备受关注。然而,锡基硫化物（SnS）电导率较低,在充放电过程中体积效应严重且反应动力学缓慢,表现出较差的电化学性能。基于上述问题,构建纳米结构硫化锡并将其与导电基体复合是一种行之有效的解决办法。综上所述,本文以静电纺丝技术为基本手段,结合溶剂热法和热处理等简单工艺合成具有不同结构特性的硫化锡基复合纳米纤维材料,通过一系列表征和电化学测试研究其在PIBs中的储能机理和电化学性能。本论文具体研究内容如下:在第一章中,通过同轴静电纺丝法和一步硫化法将超小SnS纳米晶体封装在硫化聚丙烯腈（SPAN）纤维中,获得SnS@SPAN纳米纤维复合材料。一维纳米纤维结构不仅为K提供了多个结合位点,而且还缩短了K的扩散路径,实现了更快的反应动力学。SPAN中硫的含量丰富,可以进一步提高复合材料的储钾容量并有效抑制K在脱嵌过程中电极材料的体积变化。该复合材料用作钾离子电池负极时,在3 A g电流密度下,首次充电比容量为149.2 m Ah g,且在循环800圈后仍具有127.1 m Ah g的比容量。在第二章中,为了进一步加快反应速率和稳定结构,通过简单的静电纺丝方法结合溶剂热法和热处理,将非晶SnS限域在多孔电纺碳纳米纤维中（a-SnS@pCNFs）,以实现SnS的高度可逆钾化/脱钾过程。非晶SnS在转化反应过程中具有较低的活化能势垒且能有效缓解嵌钾过程的机械应力,有利于维持电极材料的结构稳定性。此外,一维pCNF骨架不仅能在钾离子钾化/脱钾过程中提供大量的反应位点和快速的电子传输通道,还能有效缓冲SnS在反复充电/放电过程中的体积变化,从而确保良好的电化学稳定性。因此,所制得的a-SnS@pCNFs负极材料在1A g的电流密度下,具有近300 m Ah g的高可逆容量,在10 A g时具有优异的倍率性能和超长的循环寿命（超过2000次）。此外,将其作为负极组装成PIBs全电池时,在3 A g下进行100次循环后,仍可提供110 m Ah g的高容量,相当于每次循环只有0.48%的衰减率。上述将SnS非晶化并与碳材料复合的双重策略为稳定转化和合金化材料以及快速可逆的K储存提供了一种有效方法。

关键词：静电纺丝法钾离子电池负极材料锡基硫化物碳基底