二维层状材料在超级电容器及其电流变领域的应用研究

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二维纳米材料因其优异的电子、光学和机械性能引起了人们极大的研究兴趣,尤其是双金属氢氧化物(LDH)以及二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes),在储能、电流变、复合材料增强、生物传感器、润滑、光、电化学催化等领域表现出潜在的应用价值。然而由于存在MXenes容易被氧化及LDH的层与层之间堆叠聚集的缺点,在本论文中,我们运用简便方法(水热法、表面氧化等)成功制备了新型的二维层状复合材料,将其应用于超级电容器和电流变领域,并探究其在这两个领域中的应用潜力。本论文中,我们通过水热法在泡沫镍基底合成CoS2纳米片(CoS2@Ni),然后通过水热法表面生成花状镍铁双氢氧化物(NiFe-LDH)纳米球,制备得到具有花状结构的NiFe-LDH@CoS2@Ni杂化物,可直接用于设计具有出色电容性能的无粘合剂电极。性能测试表明,在10小时水热条件下制备的NiFe-LDH纳米球具有优异的电容性能,当电流密度为2 mA cm-2时,面积比电容高达11.28 F cm-2,质量比电容为3880 F g-1,并具有较好的循环稳定性。此外,全固态不对称超级电容器(ASC)分别利用NiFe-LDH@CoS2@Ni复合物作为正极,并用活性炭包覆的Ni泡沫作为负极进行组合,制成的ASC在375.16 W kg-1的功率密度下显示出15.84 Wh kg-1的高能量密度。将三个ASC串联,能够将蓝色LED灯点亮超过30分钟,表明制备的NiFe-LDH@CoS2@Ni在实际应用方面具有巨大潜力。因此,可设想将制备的具有优异电化学性能的NiFe-LDH@CoS2@Ni用于高性能超级电容器。在二维纳米材料家族中,新型的MXene纳米片具有较高的介电常数和大的比表面积,但是易被氧化,我们利用这一特点,通过室温下HF刻蚀Nb2AlC,制备了Nb2CTx MXene层,并采用水热法和CO2煅烧法对其进行氧化,衍生成Nb2O5纳米颗粒点缀的层状Nb2O5/C复合物。实验结果表明,通过水热法制备的复合材料具有优异的ER效应;CO2煅烧法制备的复合材料的高加热温度与低加热速率有利于产生更薄的碳层基底和更多的Nb2O5纳米颗粒,表现出了极具研究价值的电响应行为规律。这项工作拓宽了MXenes的应用范围,并为将其他二维材料应用于电流变提供了很好的借鉴和参考。
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