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基于二维MXenes新型纳米复合材料的能量转换应用研究

王振国  
【摘要】:随着化石能源的消耗量逐年增加与环境污染导致的温室效应加剧,探索具有高能量密度、无污染、便于存储运输的清洁能源正成为重要的研究热点问题。太阳能和氢能等清洁能源在利用的过程中常伴随着与电能、热能和化学能等能量的转换过程,通过合适的载体实现以上多种能量形式的高效转换具有重要的意义。作为二维材料家族的新成员,过渡金属碳氮化物(MXenes)具有高比表面积、高电子传导性、亲水性和表面官能团可调控性等物理化学性质,在锂电池、催化和太阳能开发与利用等涉及多能量转化的领域得到了广泛应用。基于此,本文设计并合成了一系列基于二维MXenes的复合材料,深入研究了其在锂硫电池(LSB)、高效产氢催化(HER)和太阳能光热方面的作用机理。本文的具体研究内容如下:1.VO_2(p)-V_2C(MXene)高性能锂硫电池载硫正极的研究通过水热法将VO_2(p)纳米棒簇生长在二维V_2C(MXene)纳米片表面,VO_2(p)纳米棒能与V_2C协同作用增强基质材料对多硫化物的吸附能力,同时能够降低多硫化物向短链硫化物转换的氧化还原反应势垒。此外,基质材料的高比表面积和结构稳定性能够提高电极的氧化还原反应动力学和循环可逆性能。VO_2(p)-V_2C/S正极展现出了优异的电化学性能,具有较高的可逆放电容量(1250 m Ah·g~(-1),0.2 C),长期循环稳定性(500次充放电后剩余容量69.1%)以及高载硫量循环性能(0.2 C下,200次循环后单位面积容量可达9.3 m Ah·cm~(-2))。2.V_2O_5@V_2C纳米管阵列用于高性能锂硫电池的研究为了解决“穿梭效应”对高硫负载量电池正极的影响,并尽可能提高电极氧化还原反应的速率,使用真空冷冻法和水热法制备了一种垂直生长在V_2C(MXenes)上的V_2O_5纳米管阵列。V_2O_5@V_2C展现出了对多硫化物的极强的吸附能力,V_2O_5对氧化反应具有优异催化性能,大大降低了多硫化物向Li_2S、Li_2S_2的转化反应势垒。复合基质材料更大的比表面积和管状结构能够在确保电极结构稳定性的同时增大正极的载硫量。V_2O_5@V_2C/S正极展现出了较高的初始容量(1173 m Ah·g~(-1),0.2 C),具有更长的循环寿命(超过1000次充放电)和更高的载硫量(8.4 mg·cm~(-2))。3.VS_2@V_2C以及其它复合材料的海水催化分解产氢的研究二维材料是目前非贵金属催化剂的研究热点,本研究提出了一种二维材料/硫化物结构的电解水策略,并成功制备了VS_2@V_2C及其它复合材料。二硫化钒纳米片均匀地垂直镶嵌在少层V_2C纳米片上,减少了片间团聚和结构坍塌对催化剂材料结构的影响。复合材料的特殊结构有利于电子在其间的转移,在不同p H值海水中,复合材料均展现出了媲美铂基催化剂的较高电流密度与较低析氢过电势,在太阳能光伏电池供给较高电流密度的情况下实现了较高法拉第效率以及析氢稳定性。此外,还探索了基于MOF模板制备的Co_3O_4@VS_2在酸性电解质中的析氢性能,证明该电解水策略在指导其它析氢催化剂的合成与应用具有普适性。4.Cu_3BiS_3/MXenes复合材料的高效光热海水淡化研究受到菲涅尔效应的影响,二维材料往往在固-液-气体界面上存在光反射损失。为提高二维材料的光吸收性能,该研究采用热注入法将Cu_3BiS_3均匀生长在Ti_3C_2纳米片的表面,构筑了新型复合材料CBS-Ti_3C_2。该复合材料实现了对光的宽带吸收(可见光区大于90%,近红外区大于80%),并得到了理论验证。在1 sun入射光强度下稳态温度可达62.3℃,即使在较低的厚度下(0.48 mg·cm~(-2))仍然保证了较快的蒸汽生产速率(1.32 kg·m~(-2)·h~(-1))以及极高光热转换效率(大于90%)。此外,CBS-Ti_3C_2还表现出了抵抗表面盐分积累的特性,有利于提升工作稳定性。5.优异光热性能的NiS_2@Ti_3C_2太阳能海水淡化研究二维材料在光热转换领域初露头角,然而亟待寻找一种简单有效的方法减少其表面的光反射率以提高光热转换效率。该研究利用简便的水热法构筑了基于NiS_2纳米方晶和二维Ti_3C_2纳米包覆结构(NiS_2@Ti_3C_2)。其多层结构能对光线进行多级漫反射,使该复合材料在宽光谱范围内具有90%的光吸收率。通过光学模拟仿真和第一性原理对复合材料在理论上进行了验证,实验上实现了更高的光热转换性能。组装的MXene海水蒸汽生成器在1 sun光照强度下获得了出色的蒸汽生成速率(1.27 kg m~(-2) h~(-1))和光热转换效率(83.67%)。


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