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二维层状MoS_2纳米复合材料的制备及其电容性能研究

李丹琴  
【摘要】:社会的发展和进步离不开能源,目前消耗的主要能源是化石能源。然而,化石能源不但储藏量有限,而且由于大量使用给环境造成了难以逆转的污染,严重威胁着人类的生存。因此,可再生能源的生产及相对应的能量存储和转换设备得到了日益广泛的关注。从能量密度和功率密度的角度来看,超级电容器填充了电容器和电池之间的空隙。因此,超级电容器在储能领域有着不可替代的地位。现如今超级电容器的研究主要集中在不牺牲其功率密度的前提下,进一步提升其能量密度。而电极材料的选择和电极的制备是影响超级电容器性能的关键因素。近年来,二维MoS_2纳米材料因其独特物理、光学、电子以及电化学性能,在催化、能量存储与转化、传感等各领域均展示出优异的应用前景。然而,MoS_2作为透明电极并运用到超级电容器领域的报道还未发表。除此之外,在众多文献报道中制备MoS_2基复合材料的方法步骤比较繁琐,得到的材料往往是粉末,需要添加不导电的粘结剂才能将其固定在电极上。鉴于以上问题,本论文以二维MoS_2为研究对象,通过静电层层组装和电聚合法制备了MoS_2基电极材料,利用扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱分析等表征技术对其形貌和结构进行了分析;采用电化学手段对电极的电容性能进行了研究。详细研究内容如下:(1)采用化学锂离子嵌插法制备得到表面带负电的单层或少层MoS_2纳米片。根据正负电荷相吸的原理,利用静电层层自组装法(LBL),将聚阳离子聚二烯二甲基氯化铵(PDDA)和MoS_2纳米片交替吸附在导电玻璃(ITO)上,得到了ITO/(PDDA/MoS_2)_x(x=1-20)透明电极。在波长为550 nm处,ITO/(PDDA/MoS_2)_(20)透过率为52%。此外,通过肉眼观察可明显的看出ITO/(PDDA/MoS_2)_(20)具有良好的透光性。超声波损伤测试证实平均厚度约为50nm的(PDDA/MoS_2)_(20)薄膜牢固地附着在ITO基底上。电化学测试结果表明,当电流密度为0.04 mA cm~(-2)时,ITO/(PDDA/MoS_2)_(20)的面积比电容为1.1 mF cm~(-2),体积比电容为220 F cm~(-3);5000次循环充放电后,其电容保留率为130%。通过基底材料的探索实验可知,利用静电层层自组装法,在载玻片和柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等基底上同样可制备并得到(PDDA/MoS_2)_x(x=1-20)透明薄膜。因此,(PDDA/MoS_2)_x纳米膜具有用于透明或柔性透明的光电子和电子器件的巨大潜力。(2)基于MoS_2和导电高分子(CPs)纳米复合材料的制备,通常是采用在MoS_2纳米片存在的体系中,单体发生化学氧化聚合来制备。这样做的缺点是单层MoS_2容易发生聚集和重新堆叠。然而,在导电高分子的电聚合过程中,带负电荷的单层MoS_2可以均匀地掺杂到导电聚合物中,从而能有效避免上述缺点。本工作采用电化学沉积法将剥离的单层MoS_2嵌插入四氟硼酸根离子(BF_4~-)掺杂的聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)薄膜中,形成PEDOT(BF_4~-)/MoS_2纳米复合材料。通过原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),能谱仪(EDS)和电化学方法对所制备的单层MoS_2,PEDOT(BF_4~-)和PEDOT(BF_4~-)/MoS_2纳米复合材料进行了表征。结果表明,当电流密度为1.0 mA cm~(-2)时,PEDOT(BF_4~-)/MoS_2纳米复合材料的比电容为149.8 mF cm~(-2),比PEDOT(BF_4~-)的比电容(35 mF cm~(-2))高4.3倍。此外,在电流密度为8 mA cm~(-2)下,循环充放电1000次后,PEDOT(BF_4~-)/MoS_2纳米复合材料的比电容仍保持初始电容的85%。因此,掺入PEDOT(BF_4~-)薄膜中的单层MoS_2可以进一步提高PEDOT(BF_4~-)的电容性能,这可能是由于复合材料的疏松多孔的纳米结构以及复合材料中MoS_2和PEDOT之间存在的协同作用的结果。(3)为进一步研究MoS_2纳米片作为掺杂剂的性能,在同等摩尔浓度下,将MoS_2分别与典型的无机电解质高氯酸锂(LiClO_4)和有机电解质四丁基四氟硼酸铵(Bu_4NBF_4)作为掺杂剂,利用电化学法制备聚吲哚(PIn),并分别研究对应所得聚吲哚的电容性能。形貌分析结果表明MoS_2/PIn复合材料的形貌更加粗糙,薄膜更完整。利用扫描电镜能谱图(SEM-Mapping)和X射线光电子能谱分析(XPS),对复合物的元素组成及分布进行分析。结果表明,成功得到MoS_2/PIn复合材料,MoS_2和聚吲哚复合均匀。同时,电化学结果表明当MoS_2和吲哚单体的摩尔比为1:2时,得到最大比电容为35 mF cm~(-2)。此外,MoS_2纳米片掺杂制备的聚吲哚的电容性分别是高氯酸锂掺杂制备的聚吲哚和四丁基四氟硼酸铵掺杂制备的聚吲哚的7倍和9倍。在电流密度为1 mA cm~(-2),循环充放电5000次,MoS_2/PIn复合材料的电容保留率为88%。


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