過渡金屬硫化物中空納米結構及其陣列的贗電容特性.pdf

1、超級電容器相對傳統電容具有更高的比能量，相對二次電池具有更突出的比功率，是能量轉換與存儲系統中化學能與電能轉換的候選器件之一，其性能主要取決于高性能電極材料的獲得。因此，本研究采用基于柯肯達爾效應的犧牲模板法，制備出具有良好電導率、快速的離子擴散通道且具有豐富氧化還原反應的過渡金屬硫化物中空納米結構及其陣列。設計和可控構造基于過渡金屬硫化物中空納米結構及其復合陣列結構；圍繞該材料體系系統地研究了其中空納米結構形成機制和電荷儲能機理；挑選

2、出最優電容性能的中空結構作為正極材料，成功組裝了混合型器件，并完成對其性能綜合評價。本論文主要研究內容如下：
　　采用基于柯肯達爾效應的犧牲模板法可控制備出硫化鈷中空納米管及其陣列，并對其贗電容特性進行了研究。首先，采用一維棒狀 Co-鹽前驅體作為犧牲模板制備出管徑大約250 nm、長度大約為3μm為Co9S8中空納米管；其次，通過控制前驅體反應溫度制備出不同尺寸的 Co9S8中空納米管。研究表明 Co9S8中空納米管特殊的元素組

3、成和微觀結構使其具有優異的電導率、離子擴散通道及電化學活性，因此表現出優于Co3O4納米棒的電容性能。隨著反應溫度的升高納米管的尺寸之間增大，但是電容性能有下降趨勢。在80℃獲得的Co9S8中空納米管具有較高的比表面積和最優的電解質離子擴散通道及電化學活性位點使其具有相對較高的電容性能，在0.5 Ag-1下比電容達285 Fg-1。在此基礎上，獲得在FTO和石墨烯紙表面生長的Co9S8中空納米管陣列，由于特殊的離子擴散通路和電子傳導路徑

4、使其具有優異的電容性能。
　　設計和可控制備出三元鎳鈷硫化物中空納米結構及其陣列，并對其形成機制和電荷存儲機理進行了研究。首先，采用海膽狀Ni-Co鹽前驅體作為犧牲模板法制備出Ni-Co硫化物中空納米管，并通過控制前驅體反應中Ni/Co元素比例制備出不同結構的 Ni-Co硫化物。NiCo2S4納米管以其特殊的結構和元素組成使得它具有更好的電子傳導率和優異的電化學活性，且具有便易的離子擴散通道而表現出比NiCo2S4中空納米管和Ni

5、Co2S4納米棒更突出的電容性能，在0.5 Ag-1下比電容達1145 Fg-1，和較高的倍率特性及循環穩定性。Ni/Co（1:2）硫化物表現出相對其他比例更豐富和更活躍的氧化還原反應而表現出良好的電容性能和倍率特性。在此基礎上，成功制備出三維NiCo2S4納米管@Ni-Mn納米片/石墨烯海綿，在1 mAcm-2時其單位面積電容達到1740.3 mFcm?2，并表現出優異的倍率特性和循環穩定性。
　　采用一步法制備出由一維針狀陣列

6、組成的中空刺猬狀Ni-Mn堿式碳酸鹽，系統地研究了形成機制，并以此為前驅體成功制備出具有超高性能的Ni-Mn硫化物二級中空結構。首先，通過TEM、SEM、XRD、FT-IR等手段對不同反應溫度下的產物進行表征，得出該結構是一種Mn2+誘導生長機理。其次，對該特殊結構前驅體在不同濃度的NaOH、Na2S水溶液中進行水熱反應，及不同溫度下煅燒以獲得不同微觀結構的Ni-Mn化合物。由于Ni-Mn硫化物特殊的元素組成而具有較高的電導率和電化學活

7、性而具有相對Ni-Mn氧化物、氫氧化物更突出的性能。最后，通過控制反應中S2-濃度獲得Ni-Mn硫化物二級中空結構，并通過對比分析探討了Ni-Mn硫化物二級中空結構的優異儲能機理，由于Ni-Mn硫化物二級中空結構具有突出的電子傳導率、離子擴散通道和電化學活活性而表現出優異的性能，在0.5 Ag-1時的比電容達到1530.1 Fg-1并表現出優異的倍率特性和循環穩定性。
　　開展了不同系列非對稱組裝工藝研究。將上述較高電容性能的 N

8、iCo2S4納米管作為正極材料與活性炭作為負極材料封裝成NiCo2S4//AC混合型器件，該電容器在10~90℃的溫度范圍內電容性能表現良好，并表現出高的比能量和比功率。同時將相對廉價Ni-Mn硫化物二級中空結構作為正極材料與活性炭負極材料封裝成Ni-Mn硫化物//AC非對稱器件，能表現出與NiCo2S4//AC混合器件匹敵的比能量和比功率。NiCo2S4@Ni-Mn LDH/石墨烯作為正極材料，VN/石墨烯作為負極材料封裝成非對稱器件