论文部分内容阅读
传统能源的不断消耗,促使了间歇性可持续能源的开发和利用。然而,以风能、潮汐能等为基础的可持续能源有具有波动性和间接性,不能够直接使用。因此,开发廉价、高效的储能技术成为了关键所在。钠离子电池和锂硫电池均被认为有望成为未来大规模储能的关键技术,受到了研究者们广泛的关注。近年来,出现了一类新型的过渡金属碳、氮、碳氮化物,MXene,因其具有良好的导电性、独特的二维结构、层间距可调以及低的离子扩散势垒等优点,被作为电极材料广泛地应用在储能领域上。有研究表明,MXene用作钠离子电池负极时具有良好的倍率性能和循环稳定性,但容量较低,因此提高其容量非常具有研究意义。此外,MXene表面上亲水官能团以及其暴露在表面的过渡金属原子对多硫化物具有强烈的吸附作用,故其也可用作锂硫电池的硫正极载体。但是,MXene的比表面积较小,导致其载硫量较少,不利于提高锂硫电池的能量密度。针对以上MXene作为电极材料时所存在的问题,本文以最为广泛研究的Ti3C2Tx MXene为基础进行了一些研究工作:制备了SnS/Ti3C2Tx、CoS/Ti3C2Tx和N-PC/Ti3C2Tx复合材料并将其作为电极材料应用于电化学储能。具体研究内容如下:1.以多层Ti3C2Tx为导电基底,利用水热法和高温退火的方法制备了SnS/Ti3C2Tx复合材料。通过XRD、XPS、FESEM表征可以证明硫化亚锡颗粒成功地原位生长在Ti3C2Tx的表面及层间,同时硫化亚锡的引入扩大了Ti3C2Tx的层间距,从而有利于钠离子的嵌入和脱出。此外,还证明了Ti3C2Tx基底不仅可以提供导电网络,还可以防止SnS颗粒的团聚。SnS/Ti3C2Tx复合物作为钠离子电池负极材料时,在0.1 A g-1的电流密度下,具有412 mA h g-1的比容量。2.以温和刻蚀方法得到导电性更好、活性位点更多的单层Ti3C2Tx为基底,氢氧化钴预插层之后,原位硫化得到CoS/Ti3C2Tx复合材料。在复合物中,硫化钴的颗粒仅为6 nm,且均匀分布在Ti3C2Tx片层表面。实验结果表明,在CoS/Ti3C2Tx电极中,Ti3C2Tx具有导电网络的作用,同时有助于稳定结构、减小硫化钴粒径。而硫化钴则提供了大部分的容量,同时可防止Ti3C2Tx片的自堆叠。当其作为钠离子电池负极材料使用时,在0.1 A g-1的电流密度下具有508 mA h g-1的比容量,此外,在2 A g-1的大电流密度下循环1700圈之后仍然有267 mA h g-1的比容量,且每圈的衰减率仅为0.0072%,具有良好的电化学性能。3.通过简单的溶液混和再辅以高温碳化,制备了泡沫状的ZIF-67衍生氮掺杂多孔碳和Ti3C2Tx的复合材料。利用ZIF-67衍生碳有效增加Ti3C2Tx的比表面积,从而能提高复合物的硫载量。BET测试结果表明复合物的比表面积约为Ti3C2Tx的8倍,这证明了与碳材料复合可以有效提高Ti3C2Tx的比表面积。TGA测试结果表明,复合材料的硫载量高达80%。通过多硫化锂的吸附实验可知复合材料对多硫化物具有很强的吸附能力,从而有益于抑制多硫化物的穿梭效应、延长锂硫电池的寿命。将其作为锂硫电池正极材料使用时,在1 C的电流密度下,循环800圈后仍有527 mA h g-1的比容量,且每圈的衰减率仅为0.04%。综上所述,MXene基复合材料无论是用作钠离子电池负极材料或是锂硫电池的硫载体时,均展现了其独特的优点。本文主要设计并且合成了三种MXene复合材料,并且将其应用于储能领域,希望本文的设计思路和方法能够为未来MXene的进一步研究作出贡献。