石墨烯表面可控制备过渡金属硫化物及其超电容性能研究

摘要

超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、环保无污染等特点，有望成为下一代新型能量储存装置，是近些年来研究的热点。在整个超级电容器装置中，电极材料对超级电容器的性能起着决定性的影响。本文将具有高理论比电容的金属硫化物和具有优异循环稳定性的石墨烯进行复合，制备了Ni3S2/石墨烯以及三元的金属硫化物/石墨烯复合材料。研究了工艺参数对复合材料结构与电化学性能的影响，分析了复合材料结构与性能之间的关系，探讨了金属硫化物的生长机制。
　　利用一步溶剂热法制备了Ni3S2和石墨烯的复合材料（NF@rGO/Ni3S2）。厚层片状 Ni3S2均匀弥散地镶嵌在连续的石墨烯层中，形成多孔的三维网状结构。基于以上优异结构，该复合材料表现出良好的电化学性能：在5 mA·cm-2（0.98 A·g-1）的电流密度下，复合材料的比电容可达到4048 mF·cm-2（816.8 F·g-1），远高于单纯Ni3S2的比电容（2335 mF·cm-2）；经过6000次循环充放电，比电容保持率为93.8%。本文进一步研究了反应温度和溶剂对NF@rGO/Ni3S2复合材料微观结构和电化学性能的影响。当反应温度为160℃，水和乙二醇的比例为1:1时，复合材料具有最佳的结构和最优的电化学性能。以该复合材料作为正极，氮掺杂的石墨烯（N-G）作为负极，组成了水系非对称超级电容器，表现出良好的性能。0.5 A·g-1的电流密度下，其能量密度可以达到32.6 Wh·kg-1，相应的功率密度为399.8 W·kg-1。
　　在此基础上，本文进一步优化了上述复合材料的制备方法。首先制备了三维石墨烯基底（NF@rGO），然后利用液相沉淀法在石墨烯基底表面负载了Ni3S2纳米颗粒。通过调整工艺参数，可以实现 Ni3S2颗粒在石墨烯基底上的可控合成，充分发挥两种材料的最大潜能，以达到最合理的成分配比和最优异的性能。该复合材料在1 A·g-1下的比电容可以达到1140.7 F·g-1。随后，将复合硫化物（Ni3S2和Co9S8）负载到石墨烯基底上，制备了NF@rGO/Ni3S2/Co9S8复合材料。相比于NF@rGO/Ni3S2，后者表现出了更高的比电容和更加优异的倍率性能，这归因于石墨烯和金属硫化物之间有益的协同效应。同时，NF@rGO/Ni3S2/Co9S8//N-G非对称超级电容器展现出了优异的性能，0.5 A·g-1的电流密度下，其能量密度高达49.6 Wh·kg-1，功率密度为424.8 W·kg-1。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景（Research Background）

1.2 超级电容器的概况（Overview of Supercapacitor）

1.3 超级电容器电极材料（Supercapacitor Electrode Material）

1.4 基于Ni3S2基复合电极材料的研究现状（Research Status of Ni3S2 Based Composites Electrode Materials）

1.5 本文的研究意义及研究内容（ Research Significance and Research Content of this Paper）

2 实验部分

2.1 实验材料和试剂（Experimental Materials and Reagents）

2.2 实验仪器及设备（Experimental Instruments and Equipment）

2.3 材料表征方法（Material Characterization Method）

2.4 电化学性能测试方法（Electrochemical Test Method）

3 一步法制备NF@rGO/Ni3S2复合材料及其超电容性能研究

3.1 引言(Introduction)

3.2 NF@rGO/Ni3S2 复 合 材 料 的 制 备 (Preparation of NF@rGO/Ni3S2 Composites)

3.3 NF@rGO/Ni3S2复合材料的物相与形貌分析 (Analysis of the Phase and Structure of NF@rGO/Ni3S2 Composite Materials)

3.4 工艺参数对 NF@rGO/Ni3S2 复合材料物相和形貌的影响(Effect of Process Parameters on Phase and Structure of NF@rGO/Ni3S2 Composites)

3.5 NF@rGO/Ni3S2复合材料电化学性能分析(Electrochemical Performance of NF@rGO/Ni3S2 Composites)

3.6 本章小结(Summary)

4 石墨烯基底表面负载 Ni3S2和 Co9S8及其超电容性能研究

4.1 引言(Introduction)

4.2 石墨烯基底表面负载Ni3S2及其超电容性能研究（Study on the Growth and Supercapacitor Performance of Ni3S2 on Graphene Substrate）

4.3 石墨烯基底表面负载 Ni3S2和 Co9S8(Growth of Ni3S2 and Co9S8 on the Surface of Graphene Substrate)

4.4 Ni3S2和Co9S8在石墨烯基底上的生长机理研究(Study on the Growth Mechanism of Ni3S2 and Co9S8 on Graphene Substrate)

4.5 NF@rGO/Ni3S2/Co9S8 复合材料的电化学性能分析(Electrochemical Performance of NF@rGO/Ni3S2/Co9S8 Composites)

4.6 本章小结(Summary)

5 结论

参考文献

作者简历

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