摘 要

超级电容器是一种重要的新型储能器件，电极材料是超级电容器的重要组成部分，研究开发高性能、低成本的电极材料一直是超级电容器研究工作的重要内容。在各种电极材料中，过渡金属（例如Mn，Fe，Co，Ni等）的硫化物与传统金属氧化物相比具有更高的电导率、更优异的机械和热稳定性以及更丰富的氧化还原位点，引起了人们广泛的兴趣。与常规的块体电极材料相比，结构纳米化的电极材料不仅可以提供高的离子接触表面积，缩短离子和电子传输的路径长度，而且还对离子嵌入/脱嵌以及其他氧化还原反应产生的机械应变和结构变形具有良好的适应性，从而使得电极材料能够得到更加优化的利用，并获得更好的循环稳定性。本课题采用过渡金属硫化物（硫化铁镍）作为主体，通过水热法控制其在石墨烯表面的生长，得到硫化物/石墨烯的纳米复合材料。实验结果表明，该种材料具有高比表面积和稳定的空间结构，因此也具备高的比容量和优异的循环性能，是一种性能优异的潜在新型储能材料。

关键词：超级电容器；电极材料；过渡金属硫化物；石墨烯；纳米棒

Abstract

Supercapacitors are an important new type of energy storage devices, of which electrode materials are an important part. The research and development of high-performance and low-cost electrode materials has always been an important part of supercapacitors’ research work. Among the various electrode materials, pseudocapacitive sulfides of transitional metal (e.g. Mn, Fe, Co, Ni, etc.) have attracted great interests due to their higher electrical conductivity, better mechanical and thermal stability as well as richer redox sites compared to the metal oxide counterparts. Compared to conventional bulk, nanostructures not only provides a high ion-accessible surface area and shortens the path lengths of ionic and electronic transport, but also accommodates the mechanical strain and structural distortion generated from ion insertion/extraction and other redox reactions, thus resulting in the optimized utilization of electrode materials and better cycling stability. This subject uses transition metal sulfide (iron-nickel sulfide) as the main body, and then uses the hydrothermal method, which can control transition metal sulfide’s growth on the surface of graphene, to obtain a sulfide/graphene nanocomposite material. The experimental results show that the material has a high specific surface area and a stable space structure, and therefore has a high specific capacity and excellent cycle performance, and there is no doubt that this material is a potential new type of energy storage material with excellent performance.

Key words: Supercapacitor; Electrode Materials; Transitional Metal Sulfide; Graphene; Nanorod

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 超级电容器 2

1.2.1 超级电容器分类 3

1.2.2 电极材料 4

1.2.3 电解质 5

1.3 课题研究内容及意义 6

第二章 实验设计 8

2.1 实验内容 8

2.1.1 硫化铁镍，硫化铁镍与石墨烯复合材料的制备 8

2.1.2 材料表征及电化学测试 8

2.2 试剂与仪器 8

2.2.1 材料制备过程中所用主要设备和仪器 8

2.2.2 材料制备过程中所用试剂及原料 9

2.3 实验过程 9

2.3.1 氧化石墨烯的制备 9

2.3.2 硫化铁镍/还原氧化石墨烯的制备 10

2.3.3 硫化铁镍的制备 10

2.4 样品表征及测试方法 10

2.4.1 X射线衍射分析(XRD) 10

2.4.2 场发射扫描电子显微镜分析(FESEM) 10

2.4.3 透射电子显微镜分析(TEM) 11

2.4.4 拉曼光谱分析(RAMAN) 11

2.4.5 X射线光电子能谱分析（XPS） 11

2.4.6 比表面积和孔径分布分析 11

2.4.7 电化学测试方法介绍 11

2.5 相关计算公式 12

第三章 实验结果分析与讨论 13

3.1 FeNiS/rGO复合材料的形成过程 13

3.2 FeNiS/rGO复合材料的相结构和化学组成 14

3.2.1 X射线衍射分析 14

3.2.2 微观形貌和结构分析 14

3.2.3 拉曼光谱分析 19

3.2.4 X射线光电子能谱分析 19

3.2.5 孔结构特征分析 20

3.3 FeNiS/rGO复合材料的电化学性能分析 21

第四章 结论 25

参考文献 26

致 谢 30

绪论

1.1 背景

伟大的科学家牛顿去世后的英国科学界几乎在整个18世纪乏善可陈^[1]，但18世纪的英国在人类历史进程中依然扮演着举足轻重的角色。英国发明家詹姆斯·瓦特在前人的基础上，经过坚持不懈地改良制造出了功率足够高的蒸汽机。正是这一跨时代的创举正式拉开了工业革命的帷幕，只能依靠人力畜力的农耕文明终于成为了历史，人类也从此进入“蒸汽时代”。到了19世纪后半叶，随着科学家对直流电的发现与进一步的了解，人类开始进入“电气时代”。到20世纪中叶，石油和天然气逐渐开始成为各国能源结构的支柱，原子能、电子计算机等跨时代的新技术也相继出现，标志着人类社会开始进入第三次科技革命，人类社会的发展达到了前所未有的水平。

纵观人类历史，不难发现，人类社会的每一次巨变都和对能源的开发利用有关。能源可以说是人类社会得以维系和发展的基石。处于后工业时代的我们，对众多高耗能产品变得越发依赖。人类对煤炭、石油、天然气、森林等能源的开发达到空前的水平，煤、石油、天然气等能源在全球的能源消耗结构占比达到了87％^[2]。即便是在21世纪的今天，化石能源依然是社会正常运转必不可少的基石。但煤、石油、天然气三大化石能源都是不可再生的，根据2017发布的《BP世界能源统计年鉴》报告，按现有探明储量估算，全球石油仅能够满足50.6年的开采，天然气也只能满足52.5年的开采。