混合型過渡金屬氧化物和硫化物納米材料的設計制備及其超級電容性能研究.pdf

1、由于化石燃料的大量使用，環(huán)境污染已經成為全世界一個亟需解決的問題。全球各國都投入大量的人力、物力來尋求一種可持續(xù)的能源供給用來替代化石燃料。風能，太陽能，潮汐能，地熱能等綠色能源已經逐步投入到現(xiàn)實生活運用中來，但是這些能源依然受到了地域和時域等因素的困擾。開發(fā)新型的能源存儲器件應對日需增長的能源需求已經吸引全球科研人員的重視。其中，憑借快速充放電、高功率密度、優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性以及環(huán)境友好特性等優(yōu)點，超級電容器成為最具潛力的下一代儲能器件

2、之一。
　　根據(jù)儲能的不同機理，通常將超級電容器區(qū)分為基于靜電吸附的雙電層電容器和基于氧化還原反應的贗電容器。研究表明，在比電容方面贗電容器較雙電層電容器有更好的性能表現(xiàn)。同時隨著工藝的不斷優(yōu)化，基于贗電容存儲機理的超級電容器在循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能方面也得到了長足的改善。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，二元過渡金屬化合物憑借更豐富的混合金屬價態(tài)，較一元過渡金屬化合物的導電性和電化學贗電容性能有明顯的提升?；诖?，本論文著重針對混合型過渡金屬氧化

3、物和硫化物展開超級電容的研究。研究內容主要包含以下幾個部分:
　　一、三維層次結構CoMoO4/Co3O4復合材料的自組裝合成及贗電容性能研究。采用簡單的一步水熱方法，實現(xiàn)了CoMoO4/Co3O4復合納米結構的自組裝。通過對其結構和生長過程的詳細表征，揭示了這種復雜納米結構的生長機理。這種獨特的復合材料集成了三維多孔結構和多重的贗電容活性位點，是理想的超級電容器電極材料。將CoMoO4/Co3O4復合納米材料用作超級電容器電極材

4、料表現(xiàn)出了優(yōu)異的贗電容性能，具體表現(xiàn)為較高的比電容(在電流密度1 A/g的情況下，CoMoO4/Co3O4的比電容可以達到1062.5 F/g)和優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性（在20 A/g的電流密度下循環(huán)2000次，僅有9.62％比電容損失）。進一步，將CoMoO4/Co3O4復合材料作為正極，活性炭作為負極組裝成非對稱超級電容器，在實現(xiàn)功率密度7270 W/kg的情況下，能量密度可以保持在31.64 Wh/kg。CoMoO4/Co3O4復合納米

5、材料的合成以及超級電容性能的探究結果為一步法合成高性能超級電容器電極材料提供了參考。
　　二、三維花狀NiCo2O4及NiCo2S4納米材料的設計制備及超級電容性能研究。在通過水熱法制備Ni-Co前驅物后通過后續(xù)的二次硫化處理與熱處理分別制備NiCo2S4和NiCo2O4納米材料，并對其超級電容性能進行探究。我們通過紫外光譜的表征，發(fā)現(xiàn)NiCo2S4較NiCo2O4具備更小的光學帶隙，說明NiCo2S4具備更高的載流子濃度，從而進

6、一步確證了NiCo2S4具備更高的電導率。憑借更好的導電性，NiCo2S4比NiCo2O4表現(xiàn)出更高的比電容（在2 A/g的電流密度下，NiCo2S4和NiCo2O4的比電容分別可以達到1862和1230 F/g)以及高電流密度下的更好的穩(wěn)定性(在100 A/g的電流密度下循環(huán)2000次，NiCo2S4和NiCo2O4比電容損失分別為11.15％和16.67％)。通過對NiCo2S4較NiCo2O4材料的設計制備與超級電容性能探究比較，

7、同主族元素的替代可以實現(xiàn)超級電容器電極材料性能的優(yōu)化。
　　三、硫空位與雜質共同調控下的NiCo2S4納米材料超級電容性能研究。在此次研究中，我們通過可控的硫化過程，實現(xiàn)了尖晶石結構的NiCo2S4納米材料中硫空位和雜質濃度的可控調節(jié)。進一步研究了該缺陷對于材料超級電容性能的影響，研究結果表明:一方面，硫空位的存在可以提升材料的導電性，進而優(yōu)化材料的比電容性能;另一方面，由于硫空位的存在，造成了晶體結構無序性的增加，從而抑制了材料