二硫化钨基复合纳米线的合成及其在超级电容器中性能研究

摘要

面对能源危机和环境问题，以及近年来诸如电动车辆和大量便携式电子设备的出现，人类迫切需要对清洁和可再生能源材料及其装置进行探索。超级电容器做为一种新型的储能装置，具有大电流快速充放电、高功率密度和超长循环使用寿命等优点，能够应用于电动汽车电源、轨道列车、航空航天、消费类电子产品、数据记忆存储系统等多个领域，因此，超级电容器电极材料的研究受到人们的高度重视。石墨烯和类石墨层状过渡金属二硫化物（TMDCs），由于其独特的物理化学性质，作为新型能源材料具有巨大的潜力。WS2作为TMDCs的重要成员，其层间距为0.62nm，和其它TMDCs的成员类似，它具有比表面积大的特点，这些固有的结构特征有利于离子的快速吸附和传输，从而提高储能器件的倍率性能。基于这些优势，激起了人们将WS2作为超级电容器电极材料的研究兴趣。但是WS2作为超级电容器的电极材料时，依然面临着较低的电导率问题以及电化学反应过程中的堆垛问题，使得WS2作为超级电容器电极材料的研究受到阻碍。为了克服这些问题，设计具有介孔结构的纳米材料以及和高导电性的材料复合是目前提升WS2电极材料性能的有效方法。在本论文中，首先利用静电纺丝方法制备了具有三维（3D）结构的WS2纳米线，并以此为框架，通过水热法成功制备了具有3D结构的Ni(OH)2/WS2复合纳米线，分别研究了以WS2纳米线和Ni(OH)2/WS2复合纳米线作为电极材料在超级电容器中的电化学性能，具体研究内容如下： （1）利用静电纺丝法，分别以四硫代钨酸铵（ATTT）和偏钨酸铵（AMT）两种药品为原料，分别用一步法和两步法合成了两种不同形貌的WS2纳米线，并且探究了煅烧升温速率和硫化温度对产物形貌和纯度的影响； （2）选取两步法制备的3D WS2纳米线作为本文中超级电容器的电极材料，在三电极系统中测试其电化学性能，测试结果表明纯的WS2纳米线的比容量相对偏低，需要进一步与其他材料复合以优化WS2基复合纳米线的比容量及相关的电化学性能； （3）利用水热法将制备得到的3D WS2纳米线与Ni(OH)2复合，得到Ni(OH)2/WS2复合纳米线，该复合纳米线保持了原有的3D形貌，比表面积高达64.563m2g-1。在三电极系统中测试其电化学性能，测试结果表明，在电流密度为1A g-1时，Ni(OH)2/WS2复合纳米线具有354C g-1的高比容量，并且具有良好的倍率性能，当电流从1A g-1增大至10A g-1时，比容量保持率为68%； （4）以rGO为负极、Ni(OH)2/WS2复合纳米线为正极组装得到混合超级电容器（HSC）器件并测试其电化学性能，测试结果表明：功率密度为980W kg-1时，该HSC器件具有34Wh kg-1的高能量密度；经过4000次循环（4A g-1）后，该HSC器件的比容量保持率为83％，证明了Ni(OH)2/WS2复合纳米线作为电极材料时具有良好的循环稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的结构和存储机制

1.2.2 超级电容器的电极材料

1.2.3 超级电容器的应用举例

1.3 WS2概述

1.3.1 WS2的结构特点

1.3.2 WS2的制备方法

1.3.3 WS2在储能器件中的研究现状

1.4 论文主要研究内容

1.4.1 论文的选题意义

1.4.2 论文的主要内容

2 实验试剂与表征方法

2.1 实验试剂与实验设备

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验设备

2.2 材料表征方法

2.2.1 扫描电子显微镜

2.2.2 透射电子显微镜

2.2.3 X射线衍射

2.2.4 N2吸脱附测试

2.2.5 拉曼光谱分析

2.3 电化学测试方法

2.3.1 循环伏安法

2.3.2 恒电流充放电测试

2.4 本章小结

3 WS2纳米线的合成与电化学性能

3.1 静电纺丝法制备WS2纳米线

3.1.1 一步法制备WS2纳米线

3.1.2 两步法制备WS2纳米线

3.2 WS2纳米线的表征

3.2.1 一步法制备WS2纳米线的产物表征

3.2.2 两步法制备WS2纳米线的产物表征

3.3 WS2纳米线的电化学性能

3.3.1 WS2纳米线工作电极的制备

3.3.2 WS2纳米线的电化学性能分析

3.4 本章小结

4 Ni(OH)2/WS2复合纳米线的合成与电化学性能

4.1 引言

4.2 水热法制备Ni(OH)2/WS2复合纳米线

4.3 Ni(OH)2/WS2复合纳米线的表征

4.4 Ni(OH)2/WS2复合纳米线的电化学性能

4.4.1 Ni(OH)2/WS2复合纳米线的工作电极制备

4.4.2 Ni(OH)2/WS2复合纳米线的电化学性能分析

4.5 Ni(OH)2/WS2复合纳米线在混合超级电容器电化学性能

4.5.1 rGO工作电极的制备及混合超级电容器的组装

4.5.2 Ni(OH)2/WS2复合纳米线在混合超级电容器中的电化学性能分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

个人简历及硕士期间发表的论文

致谢