三維石墨烯-Ni3S2超級(jí)電容器復(fù)合材料電容性研究.pdf

1、由于環(huán)境污染的加劇和能源資源短缺，能源存儲(chǔ)設(shè)備如電池、超級(jí)電容器、燃料電池等已經(jīng)得到了廣泛的研究。此外，便攜式和可穿戴設(shè)備的需求不斷增加，加速了能源儲(chǔ)存裝置的發(fā)展以取代長(zhǎng)電纜連接的外部電源。在現(xiàn)有的儲(chǔ)能裝置中，超級(jí)電容器由于其壽命長(zhǎng)、高功率密度等特點(diǎn)被認(rèn)為具有極大的應(yīng)用潛力。
　　超級(jí)電容器電化學(xué)性能可以通過(guò)利用具有高比表面積和高電導(dǎo)電極材料來(lái)提高。到現(xiàn)在為止，碳基材料，如碳納米管(CNTs)，石墨烯和石墨烯泡沫(GF)已被研究使

2、用在超級(jí)電容器領(lǐng)域?；谑┏?jí)電容器由于其優(yōu)越的雙電層電容特性，高導(dǎo)電性，理論容量表現(xiàn)出的優(yōu)良性能已被廣泛研究。然而，石墨烯薄膜由于其二維結(jié)構(gòu)具有較低的比表面積。因此，自組裝三維(3D)碳的多孔結(jié)構(gòu)被用來(lái)提高其比表面積。然而由于石墨烯薄膜之間的弱連接導(dǎo)致低的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，使其很難應(yīng)用于柔性儲(chǔ)能器件。作為一種可能解決方案，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)在泡沫鎳上的三維石墨烯吸引了極大的興趣。CVD法生長(zhǎng)的3DG表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率

3、及由于存在大量微米尺寸微孔所得到的高與電解質(zhì)接觸面積。此外，它能使電解質(zhì)離子快速擴(kuò)散，并為其提供多維的電子傳遞途徑。此外，金屬硫化物，如NiSx,CuSx and CoSx，可顯著提高超級(jí)電容器贗電容。特別是，NiSx由于其高自然豐度、低成本、環(huán)保的特性以及高的理論容量從而得到了廣泛的應(yīng)用。作為硫鎳化合物(如NiS，Ni3S2,NiS2,Ni3S4,Ni7S6,Ni9S8)其中一員，Ni3S2因?yàn)椴粌H具有硫鎳化合物共同的高電導(dǎo)率、低成本

4、、易于制備和低毒性等優(yōu)點(diǎn)還有著高理論比電容、優(yōu)良比率特性和良好導(dǎo)電性等特性而被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器領(lǐng)域。此外，Ni3S2還以六方硫鎳礦的形式廣泛存在于自然環(huán)境中，這使其擁有了大量且廉價(jià)的物質(zhì)來(lái)源。
　　本文通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備了3D石墨烯并通過(guò)水熱法在3DG上原位制備了3DG/Ni3S2復(fù)合材料。采用 X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(RAMAN)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(X

5、PS)對(duì)3D石墨烯以及復(fù)合電極晶體結(jié)構(gòu)、形貌、成分變化進(jìn)行表征，循環(huán)伏安測(cè)試(CV)、恒流充放電(GCD)以及交流阻抗(EIS)對(duì)復(fù)合電極進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。
　　結(jié)果表明制得的3D石墨烯是少層高質(zhì)量的具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)交聯(lián)網(wǎng)狀載體材料，且隨著甲烷含量為7sccm時(shí)質(zhì)量較好。同時(shí)通過(guò)基地腐蝕前后的掃描圖片對(duì)比可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)3DG的質(zhì)量有影響，會(huì)提高3DG的缺陷。復(fù)合材料中隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增加，Ni3S2的相對(duì)含量隨時(shí)間的增加而增大且

6、在6h后鋪滿整個(gè)基底表面，同時(shí)Ni3S2微球狀晶粒也隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸變大。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試分析，復(fù)合電極表現(xiàn)出高比電容(5mV/s時(shí)1509F/g；2mA/cm2時(shí)11.529F/cm2)及較好的長(zhǎng)周期循環(huán)性能(1000次循環(huán)后保持88.97％電容)。分析是由于鋪滿基底狀態(tài)下100nm尺寸大小的較小Ni3S2晶體為電極提供了足夠的電化學(xué)活性比表面積且便于電子轉(zhuǎn)移、離子擴(kuò)散。此外，通過(guò)對(duì)比不同基底的兩組試樣數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)3D石墨烯卓越的導(dǎo)電性、