碳纤维复合材料制备及电容性能研究论文.docx

碳纤维复合材料制备及电容性能研究论文摘要：本文以静电纺丝技术制备出的碳纤维为载体，采用两步水热法在碳纤维基底上先后生长硫化钼和硫化镍纳米颗粒（Ni3S4-MoS2-C），制备了双金属硫化物/碳纤维复合材料。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析表征了其微观形貌和结构。将Ni3S4-MoS2-C复合材料用作超级电容器电极材料，在三电极体系中测试其电化学性能。在电流密度为1A/g时，Ni3S4-MoS2-C电极材料的比容量可达2261F/g，与单金属硫化物复合材料（Ni3S4-C、MoS2-C）相比具有良好的电化学性能。关键词：镍钼硫化物；碳纤维；复合电极材料；超级电容器超级电容器是一种新型的储能器件，具有功率密度高、使用寿命长、绿色环保等优点，因此应用范围特别广泛。但是超级电容器的能量密度仍然很低，这极大地限制了其进一步发展[1]。目前，碳材料、金属氧化物和导电聚合物被广泛应用于超级电容器的电极材料。在探究高性能电极材料的过程中，过渡金属硫化物作为一种新兴的赝电容材料也引起了广泛的关注。在过渡金属硫化物中，硫化镍具有多种化学计量比，理论比容量高，价格低廉以及来源广泛等优点，作为超级电容器的电极材料具有很好的应用前景[2]。此外，与单金属硫化物（硫化镍、硫化钼）相比，镍钼双金属硫化物由于结合了镍钼两种金属离子的共同作用，而能够发生更加丰富的氧化还原反应，使电极材料具有更强的赝电容特性[3]。本文采用两步水热法在碳纤维基底上先后生长硫化钼和硫化镍纳米颗粒（Ni3S4-MoS2-C），制备了双金属硫化物/碳纤维复合材料。碳纤维可以增强复合材料的导电性，双金属硫化物可以提供更高的赝电容。该复合材料显示出较高的比容量和优异的倍率性能，在电流密度为1Ag-1时，比容量高达2261Fg-1，在20Ag-1时比容量依然有985Fg-1。1实验1.1实验材料六水硝酸镍、二水钼酸钠、硫脲、聚乙烯吡咯烷酮为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。1.2电极材料的制备通过静电纺丝技术制备出聚合物纤维膜，再经过预氧化和碳化等处理后可获得碳纤维。称取5.6mg碳纤维，依次加入40mL蒸馏水，103mgNa2MoO4，600mg硫脲，200mgPVP（聚乙烯吡咯烷酮），磁力搅拌30min。将上述溶液转移至50mL的聚四氟乙烯内衬水热釜中，180℃，保持12h。待反应完毕，用蒸馏水洗涤，80℃真空干燥12h即得到MoS2-C。称取MoS-C15mg，依次加入40mL蒸馏水，145mg六水合硝酸镍，600mg硫脲，200mgPVP，磁力搅拌30min。将分散液转移至50mL的聚四氟乙烯内衬水热釜中，180℃，保持12h。待反应完毕，用蒸馏水洗涤，80℃真空干燥12h即得到Ni3S4-MoS2-C。1.3表征与测试使用BrukerD8型X射线粉末衍射仪（XRD，德国布鲁克公司，CuKα射线，λ=0.15406nm）和JSM-7500F型扫描电子显微镜（SEM，日本JEOL公司）来表征电极材料的结构形貌。将制备的Ni3S4-MoS2-C复合材料与炭黑、聚四氟乙烯按75:20:5的比例加入到适量乙醇中，熬制粘稠，然后涂在泡沫镍上（1×1cm2），并100℃干燥6h。采用三电极体系测试复合材料的电化学性能：Ni3S4-MoS2-C、铂片及Ag/AgCl电极分别为研究电极、辅助电极和参比电极。所有的电化学测试均在上海辰华CHI660E电化学工作站上进行。2结果与讨论2.1材料的结构形貌表征图1是所制备电极材料Ni3S4-MoS2-C的XRD谱图。从图中可以看出该电极材料在2θ为22.5°左右出现明显的衍射峰，对应于导电碳纤维的（002）衍射峰。此外，其他的衍射峰可分别被Ni3S4(JCPDSNo.47-1793)和MoS2(JCPDSNo.37-1492)检索，说明所制备电极材料为碳纤维/硫化镍/硫化钼复合材料（定义为Ni3S4-MoS2-C）。图2a为纯导电碳纤维的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，该碳纤维呈现相互交联的网络结构，可提供较大的比表面积，为活性材料负载提供充足的位点。图2b为所制备的Ni3S4-MoS2-C复合材料的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，原有光滑的导电碳纤维表面被Ni3S4和MoS2所包覆，可有效提高Ni3S4-MoS2-C复合材料的赝电容。同时内部的导电碳纤维又可以为Ni3S4-MoS2-C复合材料提供良好的电子传输通道，使赝电容活性材料更好的发挥作用。2.2材料的电容性能测试图3为Ni3S4-MoS2-C复合材料的电化学性能。采用三电极装置在6molL-1KOH电解液体系中对Ni3S4-MoS2-C进行电化学测试。图3a为Ni3S4-MoS2-C复合材料在不同扫描速率下（2~50mVs-1）的循环伏安曲线，电势窗口为0~0.4