【摘 要】
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在碳中和和碳达峰等政策下,开发低成本、高容量和高安全性的新型能源储存技术至关重要。水系锌离子电池(ZIBs)因其好的水相容性、高比容量、高安全性、价格低廉成为最佳选择之一。储锌正极材料对于水系锌离子电池的性质发挥着关键作用。本论文分别以商用、化学插层、物理超声剥离三种方式得到的少层过渡金属硫化物(MS2)材料为二维主体,通过引入两端为巯基的非共价氢键化合物作为插层客体,非共价键修饰过渡金属硫化物基
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(21772152); 陕西省自然科学基金(2019JM-270); 陕西省重点研发计划项目 (2022GY-398;2023-YBGY-169);
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在碳中和和碳达峰等政策下,开发低成本、高容量和高安全性的新型能源储存技术至关重要。水系锌离子电池(ZIBs)因其好的水相容性、高比容量、高安全性、价格低廉成为最佳选择之一。储锌正极材料对于水系锌离子电池的性质发挥着关键作用。本论文分别以商用、化学插层、物理超声剥离三种方式得到的少层过渡金属硫化物(MS2)材料为二维主体,通过引入两端为巯基的非共价氢键化合物作为插层客体,非共价键修饰过渡金属硫化物基团,从而提高过渡金属硫化物作为水系锌离子电池正极材料的电化学储能性能,研究内容如下:(1)采用化学法合成了氢键主客体化合物1-(2-(2-巯基乙氧基)乙基)-胸腺嘧啶(MT)和2,4-二氨基-6-丁基氨基-1,3,5-三嗪(DBT)。MT和DBT在常温下可自发自组装形成非共价氢键结合的二聚体(MT-DBT)。MT-DBT通过金属-硫键和氢键使无规分布的SMo S2薄片,组装成规则排列的阶梯状结构,有效改善SMo S2薄片之间的接触,从而提升电极的反应动力学和电子穿梭性。在0.2 A·g-1,MT-DBT/SMo S2最大容量从SMo S2的133.8m Ah·g-1提高到214.2 m Ah·g-1;在1.0 A·g-1,1000次充放电循环后的MT-DBT/SMo S2容量保持其初始电容86.69%,而SMo S2容量的保持度仅为60.93%。本项工作说明通过合理非共价键修饰对电极材料微观结构进行调节,是提高材料电化学储能性能的有效手段。(2)以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为插层剂,采用水热反应,原位插层制备层间距扩大的Mo S2/CTAB纳米片。通过金属-硫键和非共价氢键,将MT-DBT修饰在Mo S2/CTAB纳米片上,自组装形成MT-DBT/Mo S2/CTAB电极材料。作为锌离子电池正极材料,MT-DBT/Mo S2/CTAB在0.2 A·g-1下的容量值从Mo S2/CTAB的118.3m Ah·g-1增加到405 m Ah·g-1;在1.0 A·g-1,1000次充放电循环后的MT-DBT/Mo S2/CTAB容量保持其初始电容90.57%,而Mo S2/CTAB容量仅为初始电容64.28%。相对于Mo S2/CTAB,改性后,MT-DBT/Mo S2/CTAB的容量及循环稳定性均得到提升。(3)首先采用水热法制备片层硫化钒,在水热制备VS2后,再经物理超声剥离得到少层VS2纳米薄片的分散液(CVS2)。通过金属-硫键和非共价氢键,将CVS2与MT-DBT自组装得到非共价氢键改性的MT-DBT/CVS2电极材料。作为锌离子电池正极材料,在0.2 A·g-1,MT-DBT/CVS2最大容量为330 m Ah·g-1;在1.0 A·g-1,充放电循环1000次后,MT-DBT/CVS2容量为82.5 m Ah·g-1,是初始电容79.30%,而CVS2容量的保持度仅为56.47%。与CVS2相对,改性后,MT-DBT/CVS2材料容量及循环稳定性得到提升。
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