三元钴镍硫属化物纳米晶及其衍生材料的合成与超电容性能研究

Seeking for high-performance electrode materials is an important means to improve the main technical parameters of supercapacitors. Due to the richer redox chemical reaction, higher electrochemical activity, higher electronic conductivity and lower cost, ternary cobalt nickel chalcogenide nanocrystals (such as: CoNi2S4, NiCo2S4, CoNiSe2) have better application prospects in the field of supercapacitors. Therefore, the following works will be carried out in this project: ①A facile solvothermal method will be developed for preparing ternary cobalt nickel chalcogenide nanocrystals. Different reaction factors will be systemic researched which influenced the phases, compositions, morphologies and sizes of products. The key issues of synthetic process will be grasped. ②Ternary cobalt nickel chalcogenide nanocrystals and their derivatives with different structural characteristics will be synthesized by controlled-synthesis, structural-modification and material-combination. The as-obtained materials will be made into supercapatior electrodes. The structure-activity relationship between electrochemical properties and the structural parameters of materials will be fully investigated. ③The electrode materials with excellent electrochemical performances will be selected out and made into symmetric or asymmetric supercapacitors. The influence factors on specific capacitance, rate capability, cycle life, and energy density of the supercapacitors will be confirmed. Eventually, some new types of supercapacitors are be developed. It will provide scientific basis and theoretical principle for the application in supercapacitors of ternary cobalt nickel chalcogenide nanocrystals .

寻找高性能电极材料是提高超级电容器主要技术指标的重要手段。由于其丰富的氧化还原反应、较高的电化学活性、较高的电导以及较低的成本，三元钴镍硫属化物纳米晶（如CoNi2S4、NiCo2S4、CoNiSe2）在超级电容器领域具有较好的应用前景。据此，本项目欲开展以下工作：①发展一种简便的溶剂热法合成三元钴镍硫属化物纳米晶，系统研究各反应参数对产物的物相、组成、形貌及尺寸的影响规律，掌握合成的关键问题；②通过控制合成、结构修饰、材料复合等手段获得多种具有不同结构特征的三元钴镍硫属化物纳米晶及其衍生材料，将其制成超级电容器电极，全面研究材料的结构参数与电化学性能之间的构效关系；③将具有优异电化学性能的电极材料制成对称或不对称超级电容器，明确影响电容器的比电容、速率容量、循环寿命和能量密度的控制因素，最终开发出新型的超级电容器，为三元钴镍硫属化物纳米晶在超级电容器领域的应用提供科学依据和理论基础。

由于钴和镍离子的贡献，三元钴镍硫属化物将提供比单组分化合物更丰富的氧化还原反应、更高的电化学活性。同时，三元钴镍硫属化物具有更高的电导率。这将有利于降低电极的表面电阻和电荷迁移阻力，同时也导致在较高的电流密度下的更小内部电阻（IR）损失，最终获得更高的速率容量和能量密度。因此，本课题以三元钴镍硫属化物纳米材料在超级电容器领域的应用为研究背景，采取水热、溶剂热、自模板、组合以及分步转化等多种化学液相合成法成功获得了多种高质量的三元钴镍硫属化物纳米结构及其衍生材料。包括：CoNiO2纳米粒子、CoNi2S4纳米粒子、CuCo2S4纳米粒子、Ni-Mn-O介孔纳米棱柱、Ni-Mn-S中空椭球、介孔ZnS-NiS纳米复合物、CoNi2S4/石墨烯纳米复合物、四元Ce-Ni-Mn-Co氧化物、NaCoPO4-Co3O4纳米微球等。此外，还获得了一些具有特殊结构和性质的钴镍特种功能化合物，如：金属性的Ni0.85Se纳米片阵列、单晶NiS纳米线阵列、Ni2P纳米粒子及其石墨烯复合物、ZnS@β-Ni(OH)2多级微球、NiS和NiS2的中空微球、磷酸镍纳米棒等等。对获得产物的物相、形貌、结构、组成、价态和表面性质等进行了详细表征。并对所得材料的电化学性能进行研究，深入理解其电化学性能与结构组成、形貌尺寸、表面性质之间的构效关系。从中优选出性能优异的电极材料与活性炭(AC)组成多种液相或全固态不对称超级电容器，如：CoNiO2//AC, NiOx-MnOx//AC、CoNi2S4//AC、Ni-Mn-S//AC、CuCo2S4//AC、CoNi2S4@石墨烯//AC、Ce-Ni-Mn-Co氧化物//AC、Ni0.85Se纳米片阵列//AC、ZnS@β-Ni(OH)2//AC等等。测试不同电极材料对超级电容器的比电容、循环寿命、能量密度及实际应用的影响规律，获得了多个性能优越的不对称超级电容器，在将来的能源存储领域具有很好的应用价值。