發(fā)布時間：2020-09-18 17:04

　　 近年來,各種環(huán)境問題如全球變暖、霧霾、環(huán)境污染、能源短缺等已經(jīng)嚴重影響到了人們的生活,清潔能源如太陽能、風(fēng)能等的發(fā)掘與研究變得非常必要。鋰離子電池具有電壓高、充放電壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)、安全性、對環(huán)境污染小,輕質(zhì)及靈活設(shè)計性等可觀的優(yōu)點,被廣泛的應(yīng)用在了移動設(shè)備手機、筆記本電腦上,還有便攜式小型電器,智能電網(wǎng)和航空航天領(lǐng)域及電動汽車動力領(lǐng)域。光催化劑由于其氧化還原能力強、可降解有機污染物、還原重金屬鉻、無二次污染、能直接利用太陽光等優(yōu)點,能夠為解決環(huán)境污染做出一定貢獻,引起了研究人員的關(guān)注。二維過渡金屬二硫?qū)僭鼗衔?TMDCs)是一類新興的材料,其特殊的性質(zhì)如禁帶寬度較窄、優(yōu)秀的機械性能等使得它們對于納米材料作為鋰離子電池、光催化材料等的基礎(chǔ)研究以及諸多方面的應(yīng)用具有高度的吸引力。二硫化錫是由兩層硫原子層中間夾一層錫原子層構(gòu)成,層內(nèi)為共價鍵結(jié)合,層間靠范德華力連接,憑借其典型的CdI_2型層狀結(jié)構(gòu)具備廣泛的應(yīng)用前景,不僅能夠應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域,還可以應(yīng)用于光催化、超級電容器、生物傳感器等領(lǐng)域。作為鋰離子電池負極材料,二硫化錫由于其特殊的轉(zhuǎn)化反應(yīng)及合金化儲鋰機制,呈現(xiàn)出高的理論比容量,然而不同原料、反應(yīng)條件以及電極材料的制備工藝會影響其結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌,而且其材料的導(dǎo)電性較差和充放電過程中體積膨脹大,從而制約其電化學(xué)性能;作為光催化劑,二硫化錫由于其窄的禁帶寬度,為2.2 eV,可以直接被可見光激發(fā),然而其電子空穴對復(fù)合率較高,也有一定的光腐蝕會制約其光催化性能。因此,本論文圍繞二硫化錫制備出不同的二硫化錫基復(fù)合材料,實現(xiàn)了材料的可控合成,并通過X射線粉末衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等測試手段探究其物相組成、尺寸及形貌的關(guān)系;同時將所制備樣品作為活性材料組裝成扣式電池,通過恒流充放電測試、循環(huán)伏安曲線(CV)以及電化學(xué)阻抗測試(EIS)探索其電化學(xué)性能和其與組成、結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系;作為光催化劑,通過光催化測試和機理分析探究其光催化性能與其組成結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系。(1)采用簡單的一步水熱法不添加表面活性劑,制備納米片自組裝Ti O_2/SnS_2中空微球,并探究產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的聯(lián)系。制備出直徑約為1.5-2.0μm的TiO_2/Sn S_2三維中空花球結(jié)構(gòu),對其進行倍率性能測試,經(jīng)過1000 mA g~(-1)的大倍率電流密度充放電,可逆放電比容量仍然可達180 mAh g~(-1),在100 mA g~(-1)的電流密度循環(huán)200圈后容量為180.8 mAh g~(-1),而且其首次放電比容量可達449.1 mAh g~(-1)。(2)采用五水四氯化錫、硫代乙酰胺和一定量的羧基化碳納米管為原料,乙醇為溶劑,溶劑熱法制備了二硫化錫包裹碳納米管(CNTs@SnS_2)復(fù)合材料,而且CNTs@Sn S_2復(fù)合材料的直徑明顯大于CNTs,表明核殼結(jié)構(gòu)的形成。并探究加入不同量的碳納米管對其電化學(xué)儲鋰性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳納米管的加入量為1.0 mg mL~(-1)時,其電化學(xué)性能最為優(yōu)異。在電流密度分別為100,200,300,500,1000 mA g~(-1)的條件下,CNTs@SnS_2復(fù)合材料的放電比容量分別為610,445,380,319,268 mAh g~(-1)。并且經(jīng)過大電流密度充放電之后,再回到電流密度為100 mA g~(-1)的條件下進行充放電循環(huán),CNTs@SnS_2復(fù)合材料的放電比容量仍然能保持在591 mAh g~(-1)。在電流密度100 mA g~(-1)條件下,經(jīng)過200圈循環(huán)后放電比容量可達565 mAh g~(-1)。(3)先以五水四氯化錫、硫脲為原料,乙醇為溶劑,采用溶劑熱法制備出純相的片組裝花狀SnS_2樣品,之后將其加入預(yù)先制備好的氧化石墨烯(GO)分散液中,經(jīng)過水熱反應(yīng)得到目標產(chǎn)物SnS_2@RGO樣品。并探究石墨烯的引入對產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響。Sn S_2@RGO復(fù)合材料相比于純相SnS_2具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能。在電流密度為100 mA g~(-1)下進行充放電,100圈循環(huán)后可逆放電比容量可達942 mAh g~(-1),并且經(jīng)過1000 mA g~(-1)的大電流密度充放電循環(huán)之后,重新回到100 mA g~(-1)的電流密度時,可逆容量可以達到689 mAh g~(-1)。(4)采用一種簡單的原位水熱法,在提前制備好的氧化石墨烯分散液存在的前提下,加入五水四氯化錫和硫脲,成功地制備了SnS_2/還原的氧化石墨烯(SnS_2/RGO)納米復(fù)合材料,并將其作為光催化劑,測試其在可見光下對六價Cr(VI)水溶液的光催化還原性能。Sn S_2呈現(xiàn)出均勻的六方納米片狀結(jié)構(gòu),良好地分布在石墨烯片層上,并且沒有明顯的團聚現(xiàn)象,石墨烯成薄紗狀,將SnS_2六方納米片連接起來,兩者成為三維連通體系,石墨烯能夠加速電子的快速轉(zhuǎn)移,促進電子-空穴對的分離。Sn S_2/RGO復(fù)合材料表現(xiàn)出比純相Sn S_2優(yōu)異的可見光光催化性能,成為光催化還原重金屬六價Cr(VI)的一種有前途的光催化劑。(5)SnS_2/TiO_2納米復(fù)合材料在SnS_2納米片的存在下,以乙醇為溶劑,通過微波輔助水熱160℃加熱1小時制備而成。通過XRD,FESEM,EDS,TEM,XPS和紫外可見漫反射光譜(DRS)等測試手段對SnS_2/Ti O_2納米復(fù)合材料的物理化學(xué)性能進行測試表征,并且以可見光照射下(λ420 nm)光催化還原Cr(VI)水溶液來評價其光催化性能。實驗結(jié)果表明,SnS_2/TiO_2納米復(fù)合材料與純相TiO_2和SnS_2相比,具有優(yōu)異的光還原六價Cr(VI)水溶液性能,在可見光下照射150 min后,其還原效率可以達到~87%。(6)三維Ag_2O和Ag共修飾花狀SnS_2復(fù)合材料通過一個簡單的水熱法和光還原法合成。三維Ag_2O和Ag共修飾花狀Sn S_2復(fù)合材料的物理化學(xué)性質(zhì)采用X射線粉末衍射儀(XRD),紫外可見漫反射光譜(DRS),掃描電子顯微鏡(SEM),透射電子顯微鏡(TEM)和X射線光電子能譜(XPS)等測試手段來研究表征。所制備產(chǎn)物的光催化性能通過在模擬太陽光照射下室溫使羅丹明B溶液脫色來評價。光催化結(jié)果表明,Ag_2O和Ag共修飾花狀SnS_2復(fù)合材料與純相SnS_2相比具有更優(yōu)異的光催化性能。三維Ag_2O和Ag共修飾花狀SnS_2復(fù)合材料形成Z型體系,由于其獨特的載流子轉(zhuǎn)移過程,改善了光生電子和空穴的氧化還原能力。因此,新的Ag_2O和Ag共修飾花狀SnS_2復(fù)合材料具有優(yōu)異的光催化性能并且有望成為太陽能轉(zhuǎn)化過程降解有機污染物的可靠候選材料。
【學(xué)位單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33;TM912
【部分圖文】：

圖 1-1 構(gòu)具有獨特 特 及其在能量儲存和轉(zhuǎn)化中 應(yīng)用[10]yer structure endued unique features and their applications in energy storage an屬二硫化物（SnS2[12]、MoS2[13,14]、WS2[15-17]、TiS2[18-20]等）、過渡金屬與石墨類似的氮化硼[23,24]等都是典型的非石墨烯二維材料，其中以最引人關(guān)注。就當(dāng)前的研究結(jié)果來看，二維過渡金屬二硫化物（至優(yōu)于石墨烯[25]的特性，在電子器件方面、晶體管、鋰離子電池、的應(yīng)用前景比較廣闊，被稱為半導(dǎo)體界的“石墨烯”，將會成為研究在光學(xué)、電學(xué)、電化學(xué)[26,27]方面的杰出性質(zhì)而引起研究人員的廣泛以過渡金屬二硫化錫（SnS2）材料作為主要的研究對象，通過不同來設(shè)計合成不同形貌的二硫化錫基復(fù)合材料，研究了二硫化錫基復(fù)負極材料的性能表現(xiàn)或者作為可見光甚至太陽光響應(yīng)的光催化劑明復(fù)合樣品特殊的形貌結(jié)構(gòu)和兩者（或三者）之間的協(xié)同作用對鋰高，或是光催化性能的提高有著很重要的作用。另外，同樣的，這鋰性能和光催化性能的方法也可應(yīng)用到其他硫化物材料上。

化錫基復(fù)合材料的制備及其鋰離子電池和光催化性構(gòu)（空間群 P3ml，a = 0.3648 nm，c = 0.58組成一個三明治結(jié)構(gòu)（圖 1-2），每個錫原子價鍵結(jié)合，層間存在弱的范德華力[28]。二硫 eV，窄的禁帶寬度使二硫化錫材料本身具有良、鋰離子電池的負極（陽極）材料[29]、光電已成為國內(nèi)外專家的研究熱點。

六方SnS2納米片層，如圖1-3所示，采用水熱法直接制備出了結(jié)晶良好的二硫化錫納米片，并沒有進行高溫煅燒處理，能夠避免粉體的硬團聚現(xiàn)象，通過改變工藝條件，可實現(xiàn)對粉體的粒徑、晶型等方面的可控制備。同時，因為反應(yīng)過程中產(chǎn)物經(jīng)過重結(jié)晶，所以制得的粉體純度高。將其用于鋰離子電池負極材料，顯示出高的可逆容量和好的循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)50次之后容量保持率仍可以達到96%。其性能比商業(yè)石墨優(yōu)異，可以代替商用石墨成為下一代鋰離子電池中的負極材料。圖 1-3 合成 SnS2納米片 特征：（a）掃描電 顯微 圖 ，（b）透射圖 ，（c）平面和（d）垂直方 高分辨透射圖 及對應(yīng) 里葉紅外轉(zhuǎn)換圖[32]Fig. 1-3 Morphological characterizations of the as-synthesized SnS2nanosheets: (a) SEM image, (b) TEMimage, HRTEM image and FFT pattern of planar (c) and perpendicular sheets (d)1.2.3 二硫化錫基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀近年來

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 劉欣;趙海雷;解晶瑩;王可;呂鵬鵬;高春輝;;鋰離子電池SnS_2基負極材料[J];化學(xué)進展;2014年09期

2 時志強;樊麗萍;王成揚;;商業(yè)化的鋰離子電池石墨負極材料的研究進展[J];炭素;2006年01期

本文編號：2821930