一步固相球磨法制备二硫化钼/石墨二维复合材料及其储锂性能

以商品化二硫化钼(MoS_2)和石墨为原料,首次通过一步固相球磨法制备了MoS_2/石墨二维复合材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)测试结果表明,本体MoS_2和石墨在高速固相球磨过程中同时被剥离成较薄的片层,且剥离后的石墨片层均匀分散在MoS_2片层中。制备的MoS_2/石墨复合材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能,其中,MoS_2/石墨(质量比7∶3)复合材料在100 mA/g电流密度下,首圈放电比容量801 mA·h/g,充放电循环100圈后仍保持在694 mA·h/g,远优于商品化的本体MoS_2(约110 mA·h/g)。这主要归功于球磨后得到的石墨片层不仅能提高复合材料的导电性,还能有效地抑制MoS_2片层团聚,保持材料的结构稳定性。该方法简便易行、成本低,适合于高性能锂离子电池电极材料的规模化制备。     

MoS_2多级纳米结构的合成及锂离子电池性能

采用水热法,在200℃,S/Mo摩尔比为4.3∶1的条件下,水热反应24 h,合成出由MoS_2纳米片堆积而成的花墙状多级纳米结构.利用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对产物物相和形貌进行了表征.结果表明,MoS_2纳米片厚度约为10 nm,花墙状多级纳米结构可达十至数十微米,具有较好的均匀性.MoS_2多级纳米结构作为锂离子电池负极材料,在高电流密度下表现出良好的循环稳定性.     

锂离子电池高比容量FeSn_2-C复合负极材料的合成与性能

Sn基合金负极材料具有高达990 mAh·g-1的理论比容量,但其也存在因脱嵌锂过程发生巨大的体积变化而导致循环性能较差的问题.本文以Sn、Fe、石墨为原料利用简易的高能球磨法成功制备了具有核壳结构的FeSn2-C复合物,系统研究了球磨时间、FeSn2相含量对材料物相结构及电化学性能的影响,并分析了电极的失效机理.研究表明,球磨时间的增加有利于FeSn2金属间化合物相的形成及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的增加及循环性能的提升;FeSn2相含量的增加能够提高FeSn2-C材料的比容量,但会降低FeSn2-C电极的循环稳定性.经工艺优化及组分调节,球磨24 h合成的Sn20Fe10C70材料具有最优的电化学性能,材料的比容量在540mAh·g-1左右,并能稳定循环100次,是一种非常有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料.     

泡沫状二维复合材料的合成及超级电容器性能

利用蔗糖和乙醇作为碳源,以氯化镍高温还原形成的镍颗粒作为模板,制备了泡沫状石墨烯多孔材料。 继而以其作为载体,通过浸渍和高温热解法制备了泡沫状MoS₂/石墨烯二维复合材料。 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱、X射线衍射(XRD)等技术手段研究了复合材料的形貌、组成和结构。 循环伏安、恒流充放电和循环寿命测试均表明,该材料具有良好的超级电容器性能,质量比电容达203.5 F/g,面积比电容达280 mF/cm²,5000次恒流充放电循环后的电容保持率约80%。     

微米尺寸二硫化钼层间化合物的电化学制备及其储镁性能

采用一种简便的电化学方法制备了有机阳离子(1-丁基-3-甲基咪唑阳离子,BMIM~+)插层的微米尺寸MoS_2层间化合物,并将其用作镁离子电池正极材料。所制备的MoS_2层间化合物(MoS_2-BMIM~+)具有扩大的层间距(0.98 nm),能有效降低Mg~(2+)的嵌入/脱出势垒,为存储Mg~(2+)提供了更多的活性位点,从而表现出显著提高的充电比容量和良好的倍率性能。MoS_2-BMIM~+在20 mA·g~(-1)电流密度下的充电比容量可达101.93 mAh·g~(-1)(约4倍于初始体相MoS_2)。我们进一步证明了这一方法同样适用于插层1-丁基-1-甲基吡咯烷双阳离子(Pyr~+_(14)),所得化合物的层间距为1.04 nm。     

MoS_2@Co_9S_8蛋黄壳复合材料的制备及其电化学性能

近年来,过渡金属硫化物已成为锂离子电池理想的负极材料之一。其中,MoS_2具有的独特二维层状结构使得其能够让Li+在电化学反应中可逆地嵌入和脱出,且拥有较高的理论储锂容量(670 m A·h/g)而受到广泛关注。但MoS_2作为典型的半导体材料,电导率低下且在锂离子嵌入-脱出的过程中会发生较大程度的体积收缩膨胀,所以具有较差的倍率性能和循环性能,限制了其商业化的使用。很多研究通过优化MoS_2结构或与其它导电材料复合来克服上述缺陷。Co_9S_8具有较高的电导率,但由于其迟缓的离子传输动力学表现出低的首次库仑效率及较差的循环稳定性,基于此,将MoS_2与Co_9S_8结合利用二者协同效应来提高复合材料的电化学性能。本文采用溶剂热与气相沉积法制备得MoS_2@Co_9S_8蛋黄结构复合材料电极。MoS_2与Co_9S_8均匀分布于整个蛋黄壳结构,这有利于电子和锂离子的快速传输,从而有效地提升了电极的循环性能和倍率性能。其次,蛋黄壳的空穴有效缓解了在充放电过程中的体积膨胀,及其活性位点有效缩短了离子和电子的传输距离,提高了电极反应动力学并获得高比容量。MoS_2@Co_9S_8蛋黄壳复合物的循环性能与倍率性能在同等条件下均高于Co_9S_8和MoS_2,在电流密度为0.2 A/g下循环500圈后,放电容量仍能维持在631.5 m A·h/g。     

锂离子电池高比容量FeSn2-C复合负极材料的合成与性能

Sn基合金负极材料具有高达990 mAh·g^-1的理论比容量,但其也存在因脱嵌锂过程发生巨大的体积变化而导致循环性能较差的问题. 本文以Sn、Fe、石墨为原料利用简易的高能球磨法成功制备了具有核壳结构的FeSn₂-C复合物,系统研究了球磨时间、FeSn₂相含量对材料物相结构及电化学性能的影响,并分析了电极的失效机理. 研究表明,球磨时间的增加有利于FeSn₂金属间化合物相的形成及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的增加及循环性能的提升;FeSn₂相含量的增加能够提高FeSn₂-C材料的比容量,但会降低FeSn₂-C电极的循环稳定性. 经工艺优化及组分调节,球磨24 h合成的Sn₂₀Fe₁₀C₇₀材料具有最优的电化学性能,材料的比容量在540 mAh·g^-1左右,并能稳定循环100次,是一种非常有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料.     

Bi2O3/MoS2复合材料的制备及析氧性能研究

二维材料MoS_2有良好的催化性能,但由于其原始状态是块状的,平面结构为催化惰性,活性位点高度集中于边缘位置,为了提高二维材料MoS_2的催化性能,我们利用水热法成功地制备了阶梯式边缘型花状的二硫化钼基电催化剂(Bi_2O_3/MoS_2),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对其组成、结构和形貌进行了表征,并对其作为析氧反应(OER)的电化学催化剂进行了性能测试。结果表明,该催化剂具有阶梯式边缘型纳米花的特殊结构,可以使其暴露出更多的活性位点,增加了导电性,并降低了其固有电阻,具有较好的催化活性。在1 mol·L~(-1) KOH溶液中,Bi_2O_3/MoS_2复合物具有最佳的电解水OER催化性能,在10mA/cm~2的过电位为798 mV,比Bi_2O_3降低150 mV左右,比MoS_2降低60 mV,Tafel斜率最小,具有良好的催化前景。     

香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

采用简易浸泡法和一步碳化/活化法制备香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料(NMCs),利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构形貌进行表征,并研究了其超级电容特性。测试结果表明,NMCs的微孔比表面积高达1 594 m~2·g~(-1),且拥有更高数量的含氮官能团,其吡啶型含氮官能团比例也有所提高,展现出优异的超级电容特性。在0.5 A·g~(-1)的电流密度下,其比容量高达325 F·g~(-1),当电流密度上升到20 A·g~(-1)时,其比电容仍然高达180 F·g~(-1),表现出优异的倍率性能;同时,在5 A·g~(-1)的电流密度下,电极经历5 000次充放电循环后具有97.7%的比容量保持率,展现出优异的循环稳定性。这主要归因于NMCs超高的微孔比表面积和丰富的含氮官能团。     

海水超级电容溶解氧电池

以氧化处理的碳纤维刷（Carbon fibre brush,CFB）作阴极材料,提出海水超级电容溶解氧电池（Seawater battery with electrochemical capacitance, SWB-EC）概念,并制造了3台联用实海测试样机. 分别由循环伏安和稳态恒流放电方法研究了氧化处理前后的CFB和镁合金牺牲阳极的放电性能. 结果表明：氧化处理的CFB具有准电容特性,在动态海水中其氧阴极还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）活性比未处理的CFB有大幅度提高;镁合金牺牲阳极的开路电位为-1.74 V,工作电位高,溶解较均匀. 用以上阴、阳极材料制成3台联用样机作连续实海放电测试,经运行2个月,相关实验数据分析表明：与商品化海水电池SWB1200初步相比,该海水超级电容溶解氧电池具有更高的体积比功率密度.     

MoS_2/TiO_2复合催化剂的制备及其在紫外光下的光催化制氢活性

为了研究复合光催化剂在光催化中的制氢效率,采用水热法制备了Mo S2纳米片,然后通过水热法在Mo S2纳米片上负载了TiO_2纳米颗粒,形成了Mo S2/TiO_2异质结复合催化剂。采用冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman),X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构和光学性能表征并进行分析。通过光催化制氢测试对光催化剂进行评价,实验结果表明,在波长为365 nm的紫外光照射下,最高光催化制氢速率为1004μmol·h-1·g-1,对应的催化剂的Mo S2含量为30%,其催化速率远大于单一的Mo S2和TiO_2,表明Mo S2/TiO_2复合催化剂在紫外光照下能显著提高光催化产氢性能。基于Mo S2/TiO_2复合光催化剂优越的光催化产氢性能,本文对复合光催化剂的产氢机理做了研究和分析。     

花瓣状微球MoS_2/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用有利于二维层状结构形成的L-半胱氨酸作为硫源,钼酸钠作为钼源,制备聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)辅助水热合成花瓣状微球形貌的MoS2/还原氧化石墨烯复合电极材料(PVP-MoS2/RGO).X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)证实,经过PVP的适量添加,MoS2有序堆垛结构的片层数目明显减少.扫描电子显微镜(SEM)显示,添加适量PVP的MoS2/石墨烯材料具有分散性更好的花瓣状微球形貌.上述的少层有序堆垛结构及复合材料的良好分散性缩短了MoS2中锂离子的嵌入/脱出路径,使其具有更高的容量、循环稳定性和倍率性能.     

二氧化钼-碳复合涂层的电化学性能研究

应用简单的刮涂法以及真空煅烧可制备出承载在铜箔表面的二氧化钼-碳（MoO₂-C）复合涂层,并对样品的形貌、成分、结构和电化学性能进行分析.结果表明,该复合涂层由单斜结构的MoO₂纳米粒子和无定形碳组成.一些MoO₂纳米粒子承载在碳基体表面,其尺寸为5~30nm;一些MoO₂纳米粒子包覆在碳基体内部,其尺寸约为5nm. MoO₂-C复合涂层为多孔结构,其孔隙尺寸为1~3nm.该复合涂层与铜箔结合紧密,界面处没有裂纹.承载在铜箔表面的MoO₂-C复合涂层的比容量高、循环和倍率性能良好.在100mA·g^-1电流密度下,该负极经过100次循环后的比容量为814mAh·g^-1,在循环过程中没有出现明显的容量衰减,即使在5000mA·g^-1的高电流密度下,其比容量仍有188mAh·g^-1.     

尖晶石型过渡金属硫化物CuCo2S4与MoS2复合材料的制备及电催化析氢性能

通过简单的三步水热法实现尖晶石型过渡金属硫化物CuCo₂S₄与MoS₂的复合, 以三维多孔泡沫镍(NF)为基底, 制得自支撑催化电极MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF. 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)表征结果表明, MoS₂纳米片层密集均匀地生长在CuCo₂S₄-Ni₃S₂纳米棒表面, 并形成多级核壳结构. 其碱性条件下(1 mol/L KOH)的电催化析氢性能研究结果表明, MoS₂与CuCo₂S₄的复合和特殊形貌的构筑有效提高了电化学活性面积和电子传导效率, 达到10, 100和300 mA/cm²电流密度分别仅需116, 231和282 mV的过电位, 经2000次循环伏安扫描后, 100 mA/cm²电流密度所对应的过电位仅增大6%, 展现出优异的电催化析氢催化活性及较好的稳定性.     

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。     

双牺牲模板法制备一维管状Pt-Mn3O4-C复合物及其优越的甲醇电催化氧化性能

通过双牺牲模板法合成了以一维管状Mn₃O₄-C为催化剂载体的新型Pt 基电催化剂. 催化剂的表面形貌、晶体结构及其组成分别采用透射电镜、X射线衍射仪、能量散射X射线光谱进行表征. 通过循环伏安法对Pt-Mn₃O₄-C复合物的电化学性能进行了测试. 结果表明平均粒径为1.8 nm的Pt 纳米颗粒均匀分散在管式Mn₃O₄-C载体上, 与商业的E-TEK Pt/C 催化剂(20% (w, 质量分数) Pt)相比, Pt-Mn₃O₄-C对甲醇氧化有更好的电催化活性和更高的稳定性. Pt 纳米粒子在Mn₃O₄-C上的均匀分散及Pt 和Mn₃O₄的协同催化效应使得Pt-Mn₃O₄-C具有优异的性能.     

MoS2/GQDs催化剂的制备及微生物电解池的产氢性能研究

通过水热法合成了一系列MoS₂/GQDs复合材料,并制成碳基复合电极。利用电化学测试手段挑选出最佳电极后用于微生物电解池（MEC）阴极的产氢性能研究。实验结果显示： Na₂MoO₄、半胱氨酸和GQDs的最佳原料配比为375:600:1,制备出的MoS₂/GQDs呈现明显的爆米花样纳米片结构,片层厚度在10 nm左右,当碳纸负载量为1.5 mg·cm^-2时,MoS₂/GQDs碳纸电极的析氢催化能力最佳。在MEC产氢实验中,MoS₂/GQDs阴极MEC的产气量、氢气产率、库仑效率、整体氢气回收率、阴极氢气回收率、电能回收率和整体能量回收率分别为51.15±3.15 mL·cycle^-1、0.401±0.032 m³H₂·m³d^-1、91.16±0.054%、66.64±5.39%、72.44±2.60%、217.26±7.42%和77.37±1.50%,均略高于Pt/C阴极MEC或与之媲美。另外,MoS₂/GQDs具有良好的长期稳定性,且价格便宜,有利于实际应用。     

分散型纳米二硫化钼的制备及其对模拟油浆的加氢处理催化性能

以二烷基二硫代氨基甲酸钼（Mo-DTC）和六羰基钼（Mo（CO）₆）为前驱体、水热法合成了分散型纳米MoS₂,采用X-ray射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱分析（XPS）和程序升温脱附法（NH₃-TPD）等方法对其进行了表征。利用三种烯烃（辛烯、苯乙烯、反式二苯乙烯）、苯并噻吩和蒽等构建模拟油浆体系,结合气相色谱-质谱（GC-MS）分析,对分散型纳米MoS₂的模拟油浆加氢处理催化性能进行了研究。结果表明,不同预处理条件下制备出的催化活性样品均为2H-MoS₂,但各样品的结晶度、颗粒尺寸、硫化程度及其酸性质等均有所不同,其中,总酸量差别较小;以Mo-DTC和Mo（CO）₆为前驱体的优选硫化条件分别为380℃/30 min 和370℃/30 min,所得到的催化剂对烯烃和噻吩的加氢活性较高。其中,Mo-DTC基纳米MoS₂催化剂的烯烃加氢饱和转化率高达98.10%,加氢脱硫率为94.51%,而蒽的部分加氢饱和转化率则较低,为29.47%,且无八氢蒽（8HN）或全氢蒽的生成。Mo（CO）₆基纳米MoS₂催化剂的加氢效果则略差,烯烃加氢饱和转化率为94.01%,加氢脱硫率为89.01%,对蒽的加氢饱和转化率为24.20%,无8HN或全氢蒽的生成。总体而言,由Mo-DTC所制备的MoS₂催化剂具有烯烃高效饱和、含硫化合物高效脱硫、芳烃浅度加氢饱和的效果,且油浆加氢处理反应的选择性及催化稳定性均更高。