水热反应法合成金属硫化物纳米片及其在超级电容器中的应用

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超级电容器也就是电化学电容器,是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型储能装置。与传统电容器相比,它具有高功率密度、对环境友好、价格低廉、优异的瞬时充放电性能、且循环寿命长等优点,可满足多种需求,在混合动力源、启动动力源等方面应用前景广阔,近年来受到人们关注。影响超级电容器性能的关键因素在于其所采用的电极材料,为了提高超级电容器的性能,首要的任务是制备出性能优良的电极材料。二维过渡金属硫化物因具有独特的纳米结构和电学性能而在储能方而备受关注。我们采用简单的水热合成法制备了层状二硫化钼(MoS2)、层状硫化钻(CoS)纳米材料、层状硫化铜(CuS)纳米材料,并对其形貌和电化学性能进行详细表征。实验结果表明该类金属硫化物纳米片具有较好的电化学性能,同时,也具有较高的循环稳定性,这些归功于其独特的层状结构特征、大的比表面积、快速的电子传递速率。主要内容如下:(1)用简单的水热合成法制备了层状MoS2纳米材料,并通过X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、电子扫描显微镜和透射电子显微镜等技术对其进行表征,该材料的电化学性能通过循环伏安、恒电流充放电和电化学交流阻抗进行测试。实验结果表明MoS2在电流密度为1A g-1时其比电容为129.27F g-1。此外,MoS2电极在循环充放电500圈后仍保持了原来的比电容的85.1%,这说明独特的片层结构使其具有大的比表面积和好的导电性能,可以很好的应用在超级电容器的构建中。(2)在L-半胱氨酸的辅助下,一步水热反应法合成类似于石墨烯2D结构的纳米材料CoS纳米片。所制备的CoS材料具有相互连通的网状结构。作为超级电容器的电极材料,层状的CoS表现出良好的电化学性能,其最大比电容在3A g-1时可达到1314F g-1,同时,它也具有较高的充放电循环稳定性,连续充放电500次后,比电容的衰减小于8.3%。这些优良的性能使得CoS成为高性能超级电容器的理想材料,这归功于CoS独特的层状结构、大的比表面积、快速的电子传递速率(3)用CuCl2-6H2O提供铜源,硫脲提供硫源,通过水热合成法合成CuS纳米片,并用其做电极材料构建超级电容器。层状的CuS表现出良好的电化学性能,其最大比电容在3Ag-1时可达到437.1F g-1,而且循环稳定性较好。这说明层状结构使其具有大的比表面积和良好的导电性。
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