基于Ni3S2纳米复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

摘要

超级电容器，作为一种新型的绿色能源存储装置，具有充放电速度快、使用寿命长、功率密度高等优点而备受关注。电极材料研究是改善超级电容器性能的重要途径之一，其中Ni3S2有很高的电化学活性，其在电极表面或近表面发生快速的氧化还原反应而产生赝电容，是优异的赝电容电极材料。然而，单一的电极材料在形貌或电化学性能方面还不能完全满足实际需求。设计合成基于Ni3S2的新颖理想的纳米结构或将不同类型的纳米材料复合，利用各组分材料的本质特征进行优势互补，在电化学性能上达到协同作用，从而改善器件的能量储存与转化。本文主要探究在合成Ni3S2过程中原料浓度对其形貌和电化学性能的影响，并探究H2O2对生长机理的影响。设计在泡沫镍上直接生长双壳NiMoO4@C@Ni3S2核壳纳米线阵列，探究了材料电化学性能衰减的机理。 本论文主要研究内容如下： (1)运用泡沫镍为集流体和镍源，优化选择硫源浓度，采用一步水热法合成Ni3S2纳米片-棒阵列。并且发现，在原位生长Ni3S2纳米材料时H2O2对材料形貌有一定的影响。在一系列不同浓度的S2O32-下制备出不同形貌的Ni3S2，运用三电极体系对其进行循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗电化学性能测试。结果表明，当Na2S2O3量为1.2mmol时，样品即同质Ni3S2纳米薄片包覆在纳米棒上的形貌，表现出优良的电化学性能：在5mA cm-2电流密度下，面积比容量最高达4.74F cm-2，在15mA cm-2下，Ni3S2纳米片-棒纳米材料循环充放电3000次后，容量还能保持初始容量的85.7%。通过聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)/KOH凝胶电解质，组装三明治型非对称超级电容器，表现出优良的能量密度和功率密度，在功率密度为14.99W cm-3时的最大能量密度1.166mWh cm-3，在能量密度为0.927mWh cm-3时的功率密度为90.1W cm-3。 (2)采用水热法和电沉积法，在泡沫镍基底上生长双层壳NiMoO4@C@Ni3S2核壳纳米线阵列。为探究双壳核壳结构纳米材料的性能优势，分别合成NiMoO4、NiMoO4@C和NiMoO4@Ni3S2纳米线阵列。在三电极测试体系中，对四种材料进行电化学性能测试，结果表明：NiMoO4@C@Ni3S2材料表现出良好的电化学性能，无定型碳壳层的存在，提升了材料的循环稳定性，Ni3S2纳米片壳层的存在来改善复合材料的比容量。在10mA cm-2下，面积容量高达5.409F cm-2，经过3000次循环充放电，容量保持初始值的78.9%。另外，对经过3000次循环充放电后的材料，进行了结构和形貌的表征，分析容量衰减的机理。通过PVA/KOH凝胶电解质，组装成三明治型全固态非对称超级电容器，在功率密度为13.99W cm-3的最大能量密度1.288mWh cm-3。