基本信息
- 项目名称：
- 硫化镍纳米材料的制备及锂离子充放电性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文主要采取简单的溶剂热法以乙二醇为溶剂，硫代乙酰胺、L-胱氨酸、硫脲等为硫源，成功合成了一系列不同形貌的硫化镍纳米材料，此外，还考察了不同配位剂以及不同表面活性剂对产品形貌和相结构的影响，测定了形貌较好的海胆状硫化镍空心球以及实心微球、纳米空心球的电化学性能，显示了较好的循环性能。
- 详细介绍：
- 本文主要采取简单的溶剂热法以乙二醇为溶剂，硫代乙酰胺、L-胱氨酸、硫脲等为硫源，成功合成了一系列不同形貌的硫化镍纳米材料，其中以硫代乙酰胺为硫源合成的硫化镍是由纳米棒组成的海胆状空心结构，XRD测试结果表明产品中存在α和β两种相结构，但主要组分为β-NiS，扫描电镜图片清楚地揭示了海胆状空心结构，跟踪产物随时间的变化，研究了海胆状空心球的形成过程，而以L-胱氨酸为硫源合成的为形貌非常规整的实心微球，用硫代硫酸钠合成的则为硫化镍纳米棒，此外，还考察了不同配位剂以及不同表面活性剂对产品形貌和相结构的影响，当使用PEG2000作为表面活性剂时获得的是由纳米粒子组成的空心球结构，而使用PVP则为规整的纳米粒子。作为锂离子电池阴极材料，测定了形貌较好的海胆状硫化镍空心球的电化学性能，首次放电容量超过900mAh g-1，高于文献报道的理论容量，循环五十次后，稳定在约200 mAh g-1。为了比较不同形貌硫化镍的锂离子循环性能，分别对不同条件下合成的硫化镍空心球和实心微球进行了循环性能测试，循环30次后容量衰减较严重，结果表明都未能获得较好的充放电容量和循环性能。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 锂离子电池由于其具有高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，被称为21世纪的主导电源，但现有的大部分锂离子电池在快速充放电的时候，其容量都会有不同程度地减小。究其原因是由于材料结构的不稳定，纳米材料具有比表面积大、表面活性高、离子扩散路径短和可塑性高等特点，应用在电池材料中可显著改善锂离子充放电性能，目前关于这方面的研究十分活跃。
科学性、先进性及独特之处
- 硫化镍纳米材料在太阳能电池、加氢脱硫催化反应, 以及光电导材料和锂电池阴极材料等方面都有着广泛的应用，因而备受关注。目前，多种形貌的NiS纳米材料被相继合成出来，但通过自组装方法获得规整的空心有序超结构较少，本作品主要采用简单的溶剂热法成功合成了由针状纳米棒组成的海胆状硫化镍空心球，方法简单，空心结构明显，产品有序规整，并研究了不同条件对硫化镍形貌和相结构的影响以及他们的锂离子充放电性能。
应用价值和现实意义
- 锂离子电池由于具有突出的优点，在移动电话、笔记本、电脑、汽车等方面有很大的应用，目前，锂离子电池的电极材料也发展非常迅猛，有许多不同物质的或新的结构的电极材料被研制出来，但以金属硫化物为电极材料研究的并不是多见，而硫化镍具有较高的理论容量，是一种较好的锂离子充放电材料，在目前能源短缺的情况下研究可替代的新能源显得尤为重要，所以对硫化镍纳米材料电化学性能的研究具有一定的实际意义。
学术论文摘要
- 本文主要采取简单的溶剂热法以乙二醇为溶剂，硫代乙酰胺、L-胱氨酸、硫脲等为硫源，成功合成了一系列不同形貌的硫化镍纳米材料，其中以硫代乙酰胺为硫源合成的硫化镍是由纳米棒组成的海胆状空心结构，XRD测试结果表明产品中存在α和β两种相结构，但主要组分为β-NiS，扫描电镜图片清楚地揭示了海胆状空心结构，跟踪产物随时间的变化，研究了海胆状空心球的形成过程。此外，还考察了不同硫源以及不同表面活性剂对产品形貌和相结构的影响，使用不同硫源时获得了规整的实心球、由纳米粒子组成的空心球等多种结构，并对其中海胆状空心球以及实心微球、纳米空心球进行了电化学测试，海胆状硫化镍空心球的电化学性能显示首次放电容量超过900mAh g-1，高于文献报道的理论容量，循环五十次后，稳定在约200 mAh g-1，而实心微球和纳米空心球的充放电循环性能显示容量衰减比较严重，性能较海胆状结构差。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Wong E., Sheeleigh C. W., Rananvare S. B.. Proceedings of the Sixth Annual Conference on Fossil Energy Materials, NETL Publications: Oak Ridge, Tennessee, May 12-14, 1992, p143. [2] Fernandez A. M., Nair M. T. S., Nair P. K.. Mater. Manuf. Processes [J], 1993, 8, 535. [3] Shen G. Z., Chen D., Tang K. B., An C. H., Yang Q., Qian Y. T.. J. Solid State Chem. [J], 2003, 173, 227-231. [4] Ghezelbash A., Sigman M. B. Jr., Korgel B. A.. Nano Lett. [J], 2004, 4, 537-542. [5] Yu S. H., Yoshimura M.. Adv. Funct. Mater. [J], 2002, 12, 277-285. [6] Zhang W. Q., Xu L. Q., Tang K. B., Li F. Q., Qian Y. T.. Eur. J. Inorg. Chem. [J], 2005, 4, 653-656. [7] Xu F., Xie Y., Zhang X., Wu C. Z., Xi W., Hong J., Tian X. B.. New J. Chem. [J], 2003, 27, 1331-1335. [8] Wu Z., Pan C., Li T., Yang G., Xie Y. Crystal Growth. Des. [J], 2007, 7, 2454-2459.
同类课题研究水平概述
- 低维结构的纳米材料由于具有独特的物理、化学和光电性能一直以来就受到学者们的关注。随着纳米材料的快速发展，已经成功合成出不同物质的低维结构的纳米材料。但如何把低维纳米材料转变成具有一定集合性能的超结构材料，引起了化学和材料学家的极大兴趣和更多的关注。目前已经合成出了由纳米片组装成的Ni(OH)2管、Co3O4空心球以及由纳米棒自组装而成的CePO4空心球及海胆状BiPO4等材料， Wan等人用PVP作为表面活性剂，得到了由V2O5纳米棒组装成的空心球。Zeng和其合作者利用Zn球作为模板，分别合成了由纳米棒和纳米片组成的空心球。Suib等采用水热法得到了由纳米线组装成的海胆状MnO2球。此外，通过自组装方法还合成了纳米棒组成的CuO空心微球、海胆状Bi2S3和ZnO微球，以及由纳米线组成的CeVO4空心球等材料。但通过自组装方法获得的有序超结构硫化镍纳米材料还较少，只有为数不多的报导，如Qian等人利用双硫腙在乙二胺体系中合成了由纳米针或纳米组成的三维花状NiS微球，Xie课题组通过聚合物辅助合成了由纳米片组装而成的NiS花状结构以及加入多胺合成了海胆状NiS微球。但这些花状结构都欠规整，而且都未能获得很好的海胆状空心球结构。此外，对硫化镍纳米材料锂离子充放电性能的研究目前还不是很多，而硫化镍作为电极材料又具有较好的充放电性能，所以本文主要采用简单的溶剂热法成功合成了由针状纳米棒组成的海胆状硫化镍空心球，并对其进行了锂离子充放电性能研究，显示了较好的充放电性能。
