三维MoO_2@MoS_2/GO及NiO@NiS/GO复合材料的制备及其超级电容性研究

【摘要】：超级电容器作为一种新型储能设备,具有快速充放电、使用寿命长、功率密度高等特点,而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。碳材料由于它的大比表面积及价格低廉的特点成为近年来超级电容材料的研究热点。碳材料中,三维泡沫石墨烯是一种三维立体构型的、具有大比表面积、低密度、高孔隙率、高电导率的碳材料。过渡金属氧化物具有多种化合价态,作为电极材料时,电解液中的离子与金属氧化物之间发生氧化还原反应产生法拉第赝电容。本文以三维泡沫石墨烯为骨架,在其表面负载纳米金属氧化物,将三维泡沫石墨烯与金属氧化物进行复合,得到性能优良的超级电容器电极材料。并在此基础上,通过离子交换法将复合材料中金属氧化物硫化为金属硫化物,利用硫化物的稳定特性,来提高电极材料在电解液中的循环稳定性能。(1)三维(3D)MoO_2@MoS_2/GO泡沫的制备及其超级电容性质研究。采用水热法和化学沉积法分别制备3D MoO_2/GO复合材料。电化学测试表明,水热法制备的复合材料有较大的比电容:在电流密度为2 A·g-1时,水热和化学沉积两种方法制备的复合材料电容值分别为523.8 F·g-1和416.8 F·g-1。电流密度为5 A·g-1下,水热法制备的复合材料粒径均一且分散性好,使得该复合材料在大电流密度为10 A·g-1时电容量仍为200.9 F·g-1。此外,电流密度为5 A·g-1下循环充放电1000次,电容量可保持60.3%。充分展示了三维泡沫石墨烯基材料的高容量、高倍率性。针对MoO_2在水溶液中循环稳定性不理想这一问题,通过离子交换将表层的MoO_2交换生成MoS_2来提高电极材料稳定性能,结果表明,离子交换后的MoO_2@MoS_2/GO在经过1000次循环充放电之后,离子电容量的保持率由60.3%提高到81.4%。经以上研究表明,MoO_2@MoS_2/GO复合材料虽然具有电化学性能较为优异,但其比电容仍然不高。(2)3D NiO@NiS/GO泡沫的制备及其超级电容性质研究。NiO是一种电容量较大的电极材料,因此我们用水热和化学沉积两种方法制备了3D NiO/GO泡沫作为超级电容器电极材料。结果表明,水热法制备的复合材料的电容值更大:在电流密度为10 A·g-1时,两种方法制备的电极材料的电容值分别为3186.2 F·g-1和2560.7 F·g-1。水热法制备的复合材料的比表面积更大,有利于增加电极材料与电解液的接触面。当电流密度为18 A·g-1时,电容量仍达1200.6 F·g-1。此外,电流密度为15 A·g-1下充放电1000次,电容量保持率可达52.1%。将NiO离子交换成稳定性较高的NiS,在保持原电容量的基础上改善了循环充放电的稳定性。结果表明,离子交换后的复合材料NiO@NiS/GO的稳定性有所提高,电容量的保持率由原来的52.1%提高到66.9%。