一直以來,能源問題都與人類的生活息息相關(guān),也是全球一直關(guān)注的重要問題。隨著傳統(tǒng)能源煤炭、石油、天然氣等化石燃料儲量的日益減少、傳統(tǒng)能源利用過程中對環(huán)境的污染問題日益突出,探索環(huán)保高效的新型能源已成為亟需解決的問題。鋰離子電池因其具有清潔無污染、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,作為一種能量儲存與轉(zhuǎn)換裝置,廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品而倍受研究者的青睞。鋰離子電池的電極材料是電池的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接影響著電池的整體性能。隨著電動汽車、航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,目前商業(yè)化的石墨類材料較低的理論比容量(大約為372 mAh g~(-1)),已經(jīng)不能滿足鋰離子電池對電極材料高能量密度、大功率、高性能的需求。而過渡金屬硫化物納米材料以及其復(fù)合納米材料,具有價格低廉、來源廣泛、高比容量、循環(huán)性能穩(wěn)定、安全性能好等優(yōu)勢,是商業(yè)化的石墨類材料的理想代替品。但是,金屬硫化物存在自身導(dǎo)電性差、首次庫倫效率低、不可逆容量大以及在充放電過程中容易發(fā)生聚積、體積變化大導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性能差等問題。針對這一問題,研究者們通過控制反應(yīng)條件合成具有特殊形貌的納米結(jié)構(gòu)材料,以緩解充放電過程中產(chǎn)生的體積效應(yīng);通過碳材料包覆、摻雜等手段可以有效地提高材料的導(dǎo)電性,進一步提高電化學(xué)儲鋰性能。另外,氫能作為一種高效的清潔能源也受到了人們的關(guān)注,電解水析氫反應(yīng)(HER)是得到高純度氫的一種有效途徑。但是,商業(yè)上使用的電解水催化劑是Pt、Pd族等貴金屬,其價格昂貴且儲量有限限制了生產(chǎn)上的大規(guī)模應(yīng)用。過渡金屬硫化物作為一種高效、經(jīng)濟的電催化劑,雖然存在著導(dǎo)電性差、催化活性位點數(shù)少等缺陷,但研究發(fā)現(xiàn)通過合成特殊形貌結(jié)構(gòu)的材料或者與其它納米材料的摻雜能夠明顯地改善催化活性,有望代替貴金屬催化劑。所以,研究過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料的電化學(xué)性能具有重要的意義。本文通過水熱法制備出過渡金屬硫化物FeMo_4S_6納米片、MoS_2/BNG以及CoMoS_(3.13)@BN-CNT,采用XRD、SEM、TEM、Raman等技術(shù)手段分析了材料的形貌結(jié)構(gòu)及物理特征,并進行了電化學(xué)儲鋰性能和電催化性能的研究,具體研究內(nèi)容如下:1、我們通過一步水熱法合成雙金屬過渡金屬硫化物2D FeMo_4S_6納米片材料,并用于電化學(xué)儲鋰。通過X-射線粉末衍射和透射電子顯微鏡表征可以看到FeMo_4S_6具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)且層間距為0.64 nm,厚度為10-14層。由于FeMo_4S_6獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)以及多組分效應(yīng),當(dāng)它作為鋰離子電池負極材料使用時,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)儲鋰性能。當(dāng)被用作電解水催化劑使用時,展現(xiàn)出了優(yōu)異的析氫反應(yīng)催化性能:具有顯著降低的析氫起始過電位,循環(huán)1000圈之后,陰極電流密度也沒有明顯的衰減,表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。2、2D納米結(jié)構(gòu)材料及其復(fù)合材料由于具有獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在能量儲存與轉(zhuǎn)換方面吸引了人們極大的關(guān)注。我們首次控制MoS_2納米片生長在B,N共摻雜的類石墨烯片上得到二維納米復(fù)合材料MoS_2/BNG,作為鋰離子電池的負極材料。材料的2D納米結(jié)構(gòu)可以為鋰離子的儲存提供較大的比表面積,縮短Li~+的傳輸距離。這種特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計,不僅可以有效地提高復(fù)合電極的導(dǎo)電性,還可以緩解在充放電過程中MoS_2產(chǎn)生的體積變化。MoS_2/BNG具有復(fù)合材料獨特的結(jié)構(gòu)和多組分的優(yōu)勢,在電流密度為0.2 A·g~(-1)時,首次放電比容量達到1203 mAh g~(-1),首次庫倫效率為80%,在循環(huán)了100圈之后,容量保持率為96.7%,當(dāng)電流密度重新為0.2 A·g~(-1)時,容量為913 mAh g~(-1),表現(xiàn)出了良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。3、過渡金屬硫化物作為電解水催化劑引起了人們的興趣,但是,進一步提高析氫反應(yīng),特別是析氧反應(yīng)的催化活性將面臨極大的挑戰(zhàn)。我們合理的選擇了B,N共摻雜的類石墨烯納米管作為活性基底材料支撐CoMoS_(3.13)納米片構(gòu)筑CoMoS_(3.13)@BN-CNT復(fù)合材料作為雙功能電解水催化劑。測試結(jié)果表明:在活性基底材料中摻雜B和N,可以有效地改善過渡金屬硫化物的HER和OER的催化活性。此外,BN-CNT納米管基底材料不僅可以確保CoMoS_(3.13)納米片邊緣提供更多的活性位點,還可以充當(dāng)“高速公路”的角色加速電荷的轉(zhuǎn)移提高反應(yīng)的動力學(xué)特征。因此,復(fù)合材料作為電催化劑明顯地提高了HER和OER的催化活性,包括降低了過電位,增加催化電流密度,提高反應(yīng)動力學(xué),增加了循環(huán)穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;TM912
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 文獻綜述
    1.1 引言
    1.2 鋰離子電池簡介
        1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展歷史
        1.2.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和工作原理
    1.3 鋰離子電池負極材料的研究進展
        1.3.1 碳負極材料
        1.3.2 合金系列負極材料
        1.3.3 金屬氧（硫）化物負極材料
        1.3.4 其它負極材料
    1.4 過渡金屬硫化物負極材料的改性
    1.5 電催化析氫概述
        1.5.1 電催化析氫反應(yīng)的原理
        1.5.2 電催化析氫反應(yīng)的性能參數(shù)
        1.5.3 過渡金屬硫化物在電解水反應(yīng)中的應(yīng)用
    1.6 論文的立題依據(jù)和研究內(nèi)容
第二章 相關(guān)試驗方法
    2.1 實驗試劑和儀器
        2.1.1 化學(xué)試劑
        2.1.2 實驗儀器
    2.2 實驗方法及原理
        2.2.1 水熱法
        2.2.2 溶劑熱法
        2.2.3 高溫固相合成法
    2.3 電池的組裝
        2.3.1 電極材料的制備
        2.3.2 電池的組成元件
        2.3.3 紐扣電池的組裝
    2.4 樣品的結(jié)構(gòu)表征
        2.4.1 掃描電子顯微鏡（SEM）
        2.4.2 透射電子顯微鏡（TEM）
        2.4.3 X-射線粉末衍射（XRD）
        2.4.4 拉曼光譜（Raman）
        2.4.5 X射線光電子能譜分析（XPS）
    2.5 電化學(xué)性能的測試與表征
        2.5.1 循環(huán)伏安測試（CV）
        2.5.2 線性掃描伏安法（LSV）
        2.5.3 電化學(xué)交流阻抗測試（EIS）
        2.5.4 恒電流充放電測試（CCD）
4S₆納米薄片的制備及其電化學(xué)儲鋰和電化學(xué)析氫性能的研究'>第三章 層狀FeMo₄S₆納米薄片的制備及其電化學(xué)儲鋰和電化學(xué)析氫性能的研究
    3.1 前言
    3.2 實驗部分
        3.2.1 樣品制備
        3.2.2 材料的表征方法
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 電子顯微鏡的表征結(jié)果
        3.3.2 X-射線粉末衍射表征結(jié)果
        3.3.3 電化學(xué)儲鋰性能測試結(jié)果分析
        3.3.4 電化學(xué)析氫性能結(jié)果分析
    3.4 本章小結(jié)
2納米片與B,N-共摻雜的類石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)儲鋰性能的研究'>第四章 MoS₂納米片與B,N-共摻雜的類石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)儲鋰性能的研究
    4.1 前言
    4.2 實驗部分
        4.2.1 樣品的制備
        4.2.2 材料的表征
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 電子顯微鏡的表征結(jié)果
        4.3.2 X-射線衍射分析和X射線光電子能譜表征結(jié)果
        4.3.3 電化學(xué)儲鋰性能的結(jié)果分析
    4.4 本章小結(jié)
3.13復(fù)合納米材料的制備及電催化性能研究'>第五章 BN-CNT@CoMoS_3.13復(fù)合納米材料的制備及電催化性能研究
    5.1 引言
    5.2 實驗部分
        5.2.1 材料的制備
        5.2.2 材料的表征
        5.2.3 電化學(xué)性能的測試
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 電子顯微鏡的表征結(jié)果
        5.3.2 X-射線衍射分析表征結(jié)果
        5.3.3 拉曼光譜表征結(jié)果
        5.3.4 X射線光電子能譜表征結(jié)果
        5.3.5 電化學(xué)性能結(jié)果分析
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
致謝
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【參考文獻】

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本文編號：2837277