分子前驱体热解制备金属硫化物/还原氧化石墨烯材料及电化学行为研究

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无机材料及其界面的合成为可持续能源转化领域的材料设计和改进提供了大量的机会。使用合适的分子前驱体制备的功能性无机纳米材料可以有效地控制粒径分布、形貌等,并获得理想的电化学性能。石墨烯凭借着大的比表面积、优异的导电导热性能以及化学稳定性等优势,深受研究者的喜爱。将无机纳米硫化物与石墨烯进行复合,其复合材料结合无机材料特有的性质及石墨烯独特的优点,产生新的协同效应,并表现出优异的特性。使用分子前驱体热解法合理地设计及合成具有卓越的电化学性能及耐用性的金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物对于功能性材料的发展具有极大的意义。本文利用一种简单的分子前驱体热解策略,首次以氧化石墨烯负载的钴-配合物为前驱体,制备了Co4S3-Co9S8纳米颗粒负载在还原氧化石墨烯(rGO)纳米片上的复合材料(Co4S3-Co9S8/C/rGO,CSG)。分散良好的Co4S3-Co9S8纳米颗粒及丰富的界面最大限度地增加了催化活性位点的数量。两组分之间的界面协同效应有利于提高电化学行为。RGO支撑材料具有高的导电性及丰富的缺陷,加速了反应动力学,并有效地抑制硫化物纳米颗粒的聚集。基于以上组成和结构优势,CSG在碱性环境下(1 M KOH)的电催化产氢具有良好的活性。在10m A·cm–2的电流密度下,CSG,相对于其他对比材料,表现出最低的过电位(134m V)。对于锂离子电池,CSG材料在0.2 A·g–1的电流密度下循环200圈后,容量仍保持814 m Ah·g–1。这样的合成方法及有缺陷的界面工程为制备其它金属硫化物在电催化产氢和锂离子电池的潜在应用提供了有利的方向。使用相同的配体及合成路线,将硝酸钴替换成硝酸铋,得到了纳米棒状Bi2S3负载在rGO纳米片上的复合材料(Bi2S3/rGO,BSG-400)。1D纳米棒结构缩短了离子扩散路径,并增加了电极/电解液之间的接触面积,具有卓越的动力学特征。且rGO具有较大的比表面积,其界面的电荷极化也促进了电荷转移。该复合材料的锂离子电池性能远高于单独Bi2S3。BSG-400负极材料在0.2 A·g–1的电流密度下循环200圈后,容量达到558.4 m Ah·g–1。石墨烯的加入弥补了硫化铋导电性不足的缺点,增大了比表面积,整体上提高了材料导电性及稳定性。综上,使用二乙基二硫代氨基甲酸根离子作为配位离子及硫源,石墨烯为支撑材料得到的硫化物/石墨烯的合成方法具有普适性且易操作,重复性强。形成的材料产生的界面效应在不同程度上提升了电化学性能。
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