二硫化钼与碳复合材料的制备及其电化学性能研究

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随着能源持续开发利用,环境污染与能源危机问题越来越严重。研发清洁高效的储能器件成为人们关注热点。钠离子电池因其成本低廉,安全性高,原材料分布广泛等优点被认为是未来革命性储能器件。目前,研发合适的储钠材料是钠离子电池的关键。二硫化钼(MoS2),典型的二维层状材料,具有独特的结构和物理化学特性,是能源存储与转化方面的重要研究对象。然而,二硫化钼固有的缺陷(导电性低、易团聚、比表面积小、稳定性差等)阻碍了其进一步应用。鉴于以上问题,我们采用不同合成方法合理设计其结构并添加导电材料对其进行改性,提高其电化学储钠性能。本论文具体研究内容有:(1)以氧化石墨烯为碳源,钼酸铵为钼源,二硫化碳为硫源和还原剂,二氧化硅纳米球为模板,采用溶剂热法制备三维二硫化钼/还原氧化石墨烯(3D MoS2/G)复合材料,利用高分辨扫描电镜(HRSEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等手段对样品组成和形貌进行分析,通过恒电流充放电(GDC)测试、循环伏安法(CV)测试、稳定性测试和倍率性能测试等研究其作为负极材料在钠离子电池中储钠性能。结果表明,3D MoS2/G复合材料具有较高的容量(500 m A g-1的电流密度下循环100周期后容量为525 m A h g-1),在循环稳定性测试和倍率测试中表现了优异的性能。这主要是由于石墨烯的加入改善了二硫化钼的导电性,同时减少了充放电过程中体积变化的影响,增加了复合材料结构稳定性。此外,二氧化硅纳米球模板的加入丰富了3D MoS2/G复合材料的孔道结构,增加了其比表面积和活性位点,有利于钠离子吸附、电解液浸润并且加快钠离子扩散,因此,3D MoS2/G材料表现出优异的容量和循环稳定性。(2)以钼酸钠为钼源,硫脲为硫源,商用碳纸为基底,二氧化硅纳米球为模板采用高温还原加刻蚀的方法,分别制备了三维泡沫结构二硫化钼/碳纸整体电极(3D F-MoS2/CP)、二维二硫化钼/碳纸整体电极(2D MoS2/CP)、三维泡沫结构二硫化钼传统电极(3D foam MoS2),将其用于钠离子电池负极材料。研究二硫化钼形貌结构、比表面积对电化学性能的影响,同时比较传统电极和自支撑电极对电化学性能的影响。结果表明,二氧化硅纳米球模板的加入增加了二硫化钼的比表面积、提供了更多的钠离子传输孔道、暴露了更多的活性位点,有利于钠离子的存储。此外,碳纸具有良好的导电性,作为整体电极基底,增加了二硫化钼的导电性,加速了其电荷传输和离子扩散。在电化学测试中,3D F-MoS2/CP整体电极展现了更优异的倍率性能及循环稳定性。在倍率性能测试中,电流密度从50到2000 m A g-1,3D F-MoS2/CP展示了较高的容量(2000 m A g-1:225 m A h g-1)和良好的稳定性。在循环性测试中,2000 m A g-1电流密度下循环1000周期后,容量保持率为67%,平均每圈容量衰减率仅为0.033%,并且库伦效率高达99.8%。
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