超级电容器用多孔结构NiCo2S4/rGO复合材料的可控制备及性能研究

Design of high performance electrode materials has become a research hotspot of current energy storage device. NiCo2S4 is a kind of the most development potential of the new super-capacitor electrode material due to unique electronic structure and electrochemical property. However, the inherent properties like low conductivity and poor cycle life within NiCo2S4 electrode greatly restrict its wide applications in super-capacitor industry. Moreover, reduced graphene oxide (rGO) has high surface area, good electrical conductivity, and high mechanical strength except for low specific capacitance. Here, we will combine the advantages of both rGO and NiCo2S4 to design and research the porous NiCo2S4/rGO nanocomposites through the crystal structure and preparation process control methods. The influence on the electrochemical properties of electrodes will be researched in the form of the growth process parameters, the crystal structure regulation, and nanostructure. We will systematically investigate the correlation of stability, interface, charge transport properties and electrochemical characteristics of electrode materials. In addition, the effect that the porous nanostructure with high surface area and high conductivity can provide the electrical activity of rich sites and short diffusion path for the charge carrier in the reaction process will be surveyed. To further improve the performance of electrode materials, the connection and internal mechanism should be investigated among the electrochemical properties, transport properties, interface properties, and structure. What’s more, the new preparation method of NiCo2S4/RGO composite with good electrochemical property and porous structure will be explored. As a result, it is anticipate that our findings would provide useful experiment data for NiCo2S4/RGO electrode materials that may find promising applications in high-performance super-capacitor.

设计高性能电极材料已成为当前超级电容器的研究热点。NiCo2S4具有独特的电子结构和电化学性能，是一种极具开发潜力的新型电极材料，但其存在导电性较低和循环寿命较差等问题。基于石墨烯(rGO)具有比表面积较高、导电性较好，电容值较低的特点，本项目将两者有机的结合，优势互补，通过材料结构和制备工艺设计、调控、研究分级多孔结构NiCo2S4/rGO复合材料。研究电极材料的生长工艺参数、形貌调控、纳米结构的形式对电化学性能的影响；研究该电极材料的结构稳定性、界面特性、电荷输运特性对电化学特性的影响；揭示电化学特性、输运特性、界面特性与材料结构之间的关联作用机理；研究具有高比表面积、高导电性的分级多孔纳米结构为反应过程中的电荷载流子提供丰富的电活性位点和较短扩散路径的作用机理；发展高性能和分级多孔结构可控的复合材料新方法，为构建高性能NiCo2S4/rGO超级电容器电极材料提供实验依据和技术支持。

本项目以改善NiCo2S4的电化学性能为目的，合成NiCo2S4/石墨烯复合物。通过杂原子原位掺杂石墨烯，构建分级多孔结构，可控合成NiCo2S4基和石墨烯基复合物，改善材料的结构稳定性和界面性能，实现材料的性能提高。.内容如下：.1..采用溶剂热法合成了镍基MOF-石墨烯前驱体，热处理后制备了氮/磷/氧原位共掺镍/石墨烯复合物。XRD表明镍基MOF碳化后是以镍基混合物形式存在，XPS证实氮/磷/氧在材料中掺杂。电化学结果表明在8 A g-1时复合物的最大电容为1258.7 F g-1。将其组装成非对称电容器(ASC)后在1275 W kg-1时，获得能量密度为79.7 Wh kg-1；在循环8000 圈后，初始电容保留率为83.7%。.2..将此思路延伸，也制备了氮/磷/氧原位共掺钴/碳复合物，研究表明在650oC煅烧所得的Co/C-650样品表现出优异的电化学性能。将其组装成ASC, 在800 W kg-1时，获得最大能量密度30.4 Wh kg-1；循环10000圈后，初始电容保留近71.3%。.3..通过水热法合成了分级结构的NiCo2S4纳米片/掺氮介孔碳(N-MC)复合物。TEM分析证实了NiCo2S4壳层/N-MC核的层次结构，EDS证实Ni、C、Co、N和S元素的存在。揭示了制备工艺参数对其组成、结构和电化学性能之间的影响。将其组装成ASC, 在4000 W kg-1，获得最大能量密度78 Wh kg-1；在10 A g-1循环5000次后，初始电容保持率为91.30%。.4..通过水热法可控制备了自支撑TiO2@NiCo2S4核壳复合阵列。在5 A g-1时比容量为1000 F g-1，在8 A g-1循环5000次后，约82%的初始比电容保持不变。研究发现：TiO2纳米带提供快速的电子传输途径和提高材料的结构稳定性；NiCo2S4为法拉第反应提供更多的电化学反应中心，因此复合物电化学性能显著提高。.5..以商用聚氨酯海绵为模板，可控合成了核壳结构NiCo2O4@Ni(OH)2/碳纳米管-石墨烯复合物。该结构具有丰富的孔道和较高的比表面积，容易被电解质接触。在1 A g-1时复合物电极重量和体积电容分别为1810 F g-1和847.7 F/cm3。组装的ASC 在799.9 W kg-1时获得最大的能量密度54 Wh kg-1.