过渡金属(铁、钴、镍)硫化物纳米材料的合成及电化学性能研究

来源 :黑龙江大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:ahcyw
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超级电容器(SCs)以其优秀的能源储存性能而闻名:超高的功率密度、快速充电时间、优秀的循环稳定性、环境友好性。然而,与电池相比其能量密度较低,这限制了超级电容器的应用和发展。作为SCs的一类,非对称超级电容器(ASCs)具有更大的能量密度和更高的功率密度。在ASCs的电极材料中,过渡金属硫化物因为有着优秀的电化学性能成为新的研究热点。本论文的主要工作为设计合成出具有独特纳米结构和高能量密度的过渡金属(铁、钴、镍)硫化物超级电容器电极材料,并与碳材料组装形成非对称超级电容器,实现器件的高能量密度、高循环性能、高倍率性能。以硝酸镍和硝酸钴为金属源、聚乙烯吡咯烷酮为助剂、草酸铵为沉淀剂,合成了赝立方结构的Ni-Co前驱体,然后在空气中煅烧得到层状赝立方结构的Ni Co2O4,最后进行硫化合成了介孔Ni Co2S4微米团聚体。研究了不同硫化过程对Ni Co2S4结构及性能的影响,实验结果表明恰当的硫化过程可以制备出具有大量介孔及合适的孔径分布的Ni Co2S4电极材料。合成的介孔Ni Co2S4微米团聚体具有较高的比表面积(63.79 m2 g-1),比容量高达249 m Ah g-1(电流密度为1 A g-1时)。此外,组装的非对称超级电容器(Ni Co2S4//AC)在功率密度为783 W kg-1时展示了高达47.9 Wh kg-1的能量密度和良好的循环稳定性(循环测试4000个周期后,初始电容保持率达98.8%)。开发了一种新颖的方法构建出Co1.29Ni1.71O4@Co Ni2S4异质纳米片网络,该纳米片由纳米粒子(10~20 nm)外壳和纳米片(厚度仅为1.5 nm)核心结构而构成。研究了Co1.29Ni1.71O4@Co Ni2S4异质纳米片的制备、结构组成以及电化学性能。多维纳米结构使电极材料具有丰富的活性位点、快速的离子通道、高导电性和良好的结构稳定性。得益于这种特殊的多维纳米结构,非对称电容器Co1.29Ni1.71O4@Co Ni2S4/NF//AC ACS在功率密度为527 W kg-1时展现出47 Wh kg-1的高能量密度,并循环8000次后仍然保持了85.3%的初始性能。通过电氧化、硫化和Co2+交换方法,在泡沫镍铁(NIF)上原位合成了自支撑花瓣状的Ni Fe Co-S@Ni Fe Co-TH异质超薄纳米片阵列。研究了钴离子交换过程反应温度对Ni Fe Co-S@Ni Fe Co-TH异质纳米片的组成结构和电化学性能的影响。花瓣状的Ni Fe Co-S@Ni Fe Co-TH超薄纳米片厚度仅有1.8 nm,由Ni2S3、Fe S、Co Ni2S4、Fe Co S2和Ni-Fe-Co氢氧化物组成,这种结构提供了丰富的电化学反应活性界面。Ni Fe Co-S@Ni Fe Co-TH/NIF//AC/NF全固态非对称电容器在功率密度为543 W kg-1时能量密度高达56.3 Wh kg-1,经过4000次充放电循环后,其容量保持率达到90.1%,显示出优秀的循环稳定性。这种合成方法在制备用于能源储存与转换的自支撑过渡金属纳米结构电极方面具有广阔的应用前景。
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