硫化鎳作為超級(jí)電容器電極材料的研究.pdf

1、含有多變價(jià)金屬離子的材料，例如金屬氧化物、氫氧化物和硫化物等具有較高的放電比容量，因此，其作為超級(jí)電容器電極材料被廣泛的研究。其中，以鎳基材料為代表，尤其是氧化鎳和氫氧化鎳，均是較好的超級(jí)電容器電極材料，表現(xiàn)出較高的放電比容量和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。然而，對(duì)于硫化鎳的研究卻相對(duì)較少，同時(shí)其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究尚不深入。因此，本論文將以硫化鎳作為研究電極材料，研究其作為超級(jí)電容器電極材料在堿性電解質(zhì)中的電化學(xué)性能。
　　電極材料的電化學(xué)性能

2、很大程度上取決于材料的尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)等。從形貌方面考慮，多級(jí)結(jié)構(gòu)兼具微米和納米材料的特點(diǎn)，通過二者的協(xié)同作用來縮短電解液離子的擴(kuò)散路徑和增加充放電過程中的活性位點(diǎn)，從而提高材料的電化學(xué)性能。文中首先通過簡(jiǎn)單易行的水熱法制備出花狀多級(jí)β-NiS電極材料。當(dāng)反應(yīng)體系以水和二乙醇胺作為混合溶劑時(shí)，得到由松樹枝狀納米結(jié)構(gòu)組裝而成的花狀結(jié)構(gòu)。將其應(yīng)用于超級(jí)電容器中，多級(jí)花狀β-NiS展現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，當(dāng)電流密度分別為2A g-1和5A g

3、-1時(shí)，放電比容量分別為857.8F g-1和513.0F g-1。當(dāng)將溶劑更換成為水和DMF的混合溶劑時(shí)，得到的是由納米片組裝而成的多級(jí)花狀β-NiS。其中，改變?cè)系挠昧浚{米片的數(shù)量也發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)電流密度為4A g-1時(shí)，進(jìn)行3000次充放電過程后，放電比容量仍能保持在778.8F g-1。
　　通過提高電極材料的導(dǎo)電性，將電極材料與具有良好導(dǎo)電性的碳材料（例如碳納米管和石墨烯等）復(fù)合制備復(fù)合材料是提高電極材料電化學(xué)性

4、能的另一種有效途徑。文中將NiS納米棒和還原氧化石墨烯（rGO）通過兩步水熱法成功復(fù)合。經(jīng)過第一步水熱過程得到氫氧化物復(fù)合材料前驅(qū)體。然后通過第二步水熱進(jìn)行離子交換和碳材料的還原，最終得到NiS納米棒、NiS/CNTs和NiS/rGO復(fù)合材料。當(dāng)將三種材料均作為電極材料應(yīng)用于超級(jí)電容器中，NiS/rGO復(fù)合材料展現(xiàn)出最優(yōu)異的電化學(xué)性能。在NiS/rGO復(fù)合材料中，NiS納米棒均一的分布在還原氧化石墨烯的表面，形成了3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了電

5、極材料的導(dǎo)電性。另一方面，還原氧化石墨烯的引入，增加了電極材料的比表面積，為充放電過程提供更多的活性位點(diǎn)。同時(shí)抑制了電極材料在充放電過程中的團(tuán)聚現(xiàn)象。電極材料經(jīng)過2000次充放電過程后，放電比容量仍能保持在530.1F g-1。該工作進(jìn)一步證實(shí)合成以還原氧化石墨為基礎(chǔ)的復(fù)合材料是提高電極材料電化學(xué)性能的有效途徑。
　　合成多元金屬硫化物也是提高電極材料電化學(xué)性能的有效途徑之一。通過水熱法控制硫化過程，制備由納米顆粒聚集而成的多孔N

6、iCo2S4六方片。在整個(gè)反應(yīng)過程中，反應(yīng)之初形成的鎳鈷氫氧化物作為后續(xù)硫化過程的前驅(qū)體。然后通過調(diào)節(jié)反應(yīng)過程的升溫速率來控制硫脲的分解，從而影響H2S的釋放以及S2-離子到達(dá)鎳鈷氫氧化物的表面的速率及數(shù)量。當(dāng)升溫速率為1℃/min時(shí)，得到的產(chǎn)物為具有多孔結(jié)構(gòu)的NiCo2S4六方片，繼承了前驅(qū)體的形貌；當(dāng)提高升溫速率為5℃/min時(shí)，得到的僅為NiCo2S4納米顆粒，前驅(qū)體的形貌未能完好保持。將二者應(yīng)用于超級(jí)電容器中，多孔NiCo2S4