二维原子晶体复合材料的构建及其超级电容性能研究

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超级电容器作为一种新型的能量储存装置,在混合动力汽车、可再生能源应用等方面具有重要的应用前景。它具有充放电速度快,功率密度高,循环使用寿命长等优点而受到广泛的关注。二维材料因其独特的结构和优异的电学性能在超级电容器电极材料的研发中发挥着重要的作用。本论文以二维原子晶体材料MoS2、石墨烯为基体,通过水热、静电吸附等方法,制备了基于二维原子晶体的复合材料,并用于超级电容器中的活性材料,系统的研究了其电化学性能,具体内容如下:1.以ZIF-8为模板和起始原料,经回流制得多面体结构的ZnS,在此基体上生长MoS2,制备了2D纳米片组装的分级ZnS@MoS2复合材料。电化学测试释明,ZnS@MoS2复合材料在电流密度为1 A·g-1时,比电容为291 F·g-1,而且具有良好的倍率性能和循环稳定性(3000次循环后保持87.14%)。该工作制备的ZnS@MoS2复合材料表现出独特的形貌和大的比表面积,缩短了电子传输的路径,有利于电子的快速传递,从而使复合材料表现出优异的电化学活性。2.通过静电相互作用,将带正电荷的MoS2纳米片和带负电荷的GO纳米片进行逐层自组装,通过金属盐原位还原制备了高分散的Co3O4颗粒负载的层状氧化石墨烯/二硫化钼(GO-MoS2-Co3O4)复合材料。在电流密度为1 A·g-1时,GO-MoS2-Co3O4的比电容为277 F·g-1。以石墨烯为负极,GO-MoS2-Co3O4为正极,组装的非对称超级电容器具有高达1.65 V的电化学窗口,在电流密度为1 A·g-1时,可以获得130.3 F·g-1的高比电容,而且表现出良好的循环稳定性。3.为了有效增大二维层状材料的比表面积,提出在石墨烯和Ni Co-LDH纳米片中引入PPy作为间隔物。吡咯原位聚合在石墨烯表面,在通过水热法进一步包覆Ni Co-LDH双金属氢氧化物。所制备样品形成独特的三明治型结构,减少了纳米片的聚集。在1 A·g-1的电流密度下,复合材料的比电容可达2534 F·g-1,5000次循环后的电容保持率为78%。制备的非对称超级电容器功率密度在698 W·kg-1时,能量密度为41.9 Wh·kg-1,在功率密度为8141 W kg-1时仍保持29.4 Wh·kg-1,表现出良好的应用前景。
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