基于MOF模板合成不同形貌过渡金属硫化物超级电容器电极材料及其电化学性能研究

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超级电容器(Supercapacitor)是一种新型储能器件,具有循环寿命长、功率密度高、温度范围广、充放电速度快以及环境友好等许多优势。对于超级电容而言,电极材料有着举足轻重的地位。在诸如碳基材料、过渡金属化合物以及导电聚合物材料中,尽管过渡金属氧化物/氢氧化物会引起高比电容,但由于它们的导电性差,不利于快速电子传输。考虑到硫的电负性比氧低,有更多的氧化还原价态,与过渡金属氧化物/氢氧化物相比,其具有更高的电导率、更理想的电化学活性、机械和热稳定性。鉴于金属之间的协同效应,与二元过渡金属硫化物相比,三元或多元过渡金属硫化物可提供来自多个配对元素的更丰富的氧化还原反应位点,具有更为优异的电化学性能。
  有机金属框架化合物(MOFs)具有特定的结构,较大的表面积等优点,引起了包括气体存储,催化等在内的各个领域的广泛关最近,由于其高孔隙率和开放的金属中心位点易于发生可逆的氧化还原反应,MOFs作为超级电容器的电极材料应运而生。本论文以过渡金属硫化物为研究对象,MOFs为前驱体,通过水热法合成Co-Ni-S复合材料和Ni-Co-Sn-S复合材料。利用SEM、XRD、XPS以及电化学测试对复合材料微观形貌、晶体结构以及电化学性能进行分析表征,主要研究内容如下:
  ①利用水热法合成具有独特的片状插层花苞状结构的Co-Ni-S复合材料。电化学测试结果表明Co-Ni-S复合材料具有较高的比电容,良好的倍率性能以及优异的循环稳定性。以其作为正极,活性炭(AC)作为负极组装非对称超级电容器(ASC),在两电极体系中测试,结果表明ASC在赝电容和双电层电容的协同作用下,其电势窗口可达1.6V。Co-Ni-S//AC电容器在功率密度为980W Kg-1时,能量密度高达78.4Wh Kg-1;而在功率密度为980W Kg-1的情况下,能量密度达到最大值97.314Wh Kg-1,明显优于其他已经报道的镍钴硫化物组装的非对称超级电容器。
  ②设计并合成具有特殊三维多孔球状SnS修饰微/纳米片状Ni-Co-Sn-S复合材料,电化学测试表明在硫化温度为120℃,硫化时间为9h,硫化剂Na2S溶液的浓度为0.1mol L-1时可以得到电化学性能较为理想的Ni-Co-Sn-S复合材料。在1A g-1的电流密度下,Ni-Co-Sn-S复合材料的比电容值高达1310.75F g-1,表现出良好的电化学特性。
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