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《燕山大学》 2017年
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过渡金属硫化物可控合成及电化学性能研究

陈顺姬  
【摘要】:为实现人类社会的可持续发展,摆脱化石燃料束缚并开发清洁高效的可再生能源成为世界各国的迫切任务。以超级电容器和燃料电池为代表的电化学储能技术具有效率高、成本低、无噪声及零污染等优点,被认为是最有发展前景的能量储存与转换技术之一。电极材料和电催化剂作为超级电容器和燃料电池的核心材料,其化学组成、晶体结构及微观形貌直接决定着整个元件的电化学性能。因此,开发形貌及组成可控的纳米材料成为改善元件综合性能的关键。本文以合成高性能的过渡金属硫化物电极材料为目标,基于柯肯达尔效应,利用简单的合成路径,成功制备了各种结构的中空多孔硫化物电极材料,同时实现了中空硫化物电极材料的结构、形貌控制。同时,调变合成条件,研究不同微观结构的形成机理,探究材料结构与电化学性能之间的构-效关系,为研制新型高性能的硫化物电极材料提供理论基础。其主要内容归纳如下:1.采用阳离子交换法,以γ-MnS为模板,成功制备中空胶囊状硫化钴镍电极材料,实现对其结构及Ni/Co组成的控制。首先以氯化锰和硫化钠为锰源和硫源,柠檬酸三钠为弱还原剂及结构导向剂,制备了橄榄状γ-MnS纳米晶;成功运用阳离子交换法,以γ-MnS纳米晶为模板,通过二次水热反应制备了中空胶囊状硫化钴镍电极材料。通过改变阳离子交换过程的水热反应时间、温度和Ni/Co比例,深入研究了中空硫化钴镍形貌的演变过程。由于高比表面积和更短的离子运输路径,制得的多孔中空Ni1.77Co1.23S4电极在电流密度为0.25A g~(-1)时,展现了224.5 mAh g~(-1)的高比容量。此外,以Ni1.77Co1.23S4为正极组装成的全固态超级电容器在功率密度为190.8W kg~(-1)时,展现了42.7 Wh kg~(-1)的高能量密度。将此电容器充满电后能点亮LED指示灯超过1 h,表明多孔中空硫化钴镍电极材料具有潜在的应用前景。2.设计合成具有新颖形貌和高比表面积的花生状MnCO_3微米晶,通过阴离子交换法,成功制备了与MnCO_3微米晶形貌相似的中空花生状γ-MnS电极材料。通过调整水热时间,探究了中空结构的形成机理和晶相结构变化。电化学测试表明,中空花生状γ-MnS微米晶具有高比容量(在电流密度为0.25A g~(-1)时,比容量为257.1 F g~(-1))、高倍率性能(在电流密度为5A g~(-1)时,容量保持率为66.4%)和长循环稳定性(循环1000圈后,容量保持率为80.87%);由中空花生状MnS微米晶为正极和自制的活性炭为负极组装成的HPM//HMC超级电容器也展现了高能量密度(在功率密度为64.58W kg~(-1)时,能量密度为15.5 Wh kg~(-1))。结合锰元素的低成本、来源丰富及环境友好等特点,中空花生状MnS微米晶的高性能将促进其在能量储存系统中的实际应用。3.通过简单的一步水热合成策略,以醋酸锰为锰源,抗坏血酸为弱还原剂和结构导向剂,基于柯肯达尔效应,制备了中空结构还原氧化石墨烯(rGO)负载型纳米四足棒状γ-MnS纳米晶(γ-MnS@rGO)非贵金属电催化剂。通过考察不同时间的形貌进展,详细阐释了中空纳米棒的形成机制。电催化测试表明,γ-MnS@rGO电催化剂具有接近于Pt/C催化剂的氧还原活性及优异的耐甲醇性能和稳定性,具有良好的应用前景。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383;O646

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