硫化鉍納米材料的電化學儲鋰研究.pdf

1、硫化鉍(Bi2S3)是一種重要的半導體材料，具有能量帶隙較窄的特點(Eg=1.3 eV)，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在傳感器、光電轉(zhuǎn)換和熱電技術(shù)中。另外，Bi2S3固有的層狀結(jié)構(gòu)可以容納客體離子的嵌入，因而在儲鋰和儲氫中也有潛在的應(yīng)用前景。
　　本論文以Bi2S3材料為研究對象，以調(diào)控Bi2S3材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學儲鋰特性為研究內(nèi)容，系統(tǒng)開展這種材料的可控制備、結(jié)構(gòu)修飾、復合改性和電化學性能評測的研究，并取得了一些有意思的研究成果。具

2、體研究內(nèi)容如下：
　?。?）采用水熱法一步制備了盤狀編織結(jié)構(gòu)的碳包覆Bi2S3復合材料，通過改變反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度來調(diào)控最終產(chǎn)物的成分和形貌。結(jié)果表明，180℃下水熱反應(yīng)3h得到較好的盤狀Bi2S3產(chǎn)品。該產(chǎn)品直徑約為2μm，由Bi2S3納米棒相互編織而成，納米棒的表面均勻包覆一層厚度為3 nm的非晶碳層。該碳層可以有效限制了Bi2S3在脫嵌鋰離子時的體積膨脹，并提高了電子導電性，從而改善了Bi2S3的電化學儲鋰性能。電化學測試表

3、明，在300 mA g-1電流下循環(huán)40圈后容量仍然保持在362 mAh g-1；在600 mA g-1電流下循環(huán)40圈后容量還維持在301 mAh g-1，此結(jié)果較文獻報道有了明顯的改善，但高倍率性能仍有待于提升。
　?。?）采用超聲合成法在室溫下獲得了Bi2S3與碳納米管（CNT）的強耦合復合物。復合結(jié)構(gòu)有兩種形式，一種為Bi2S3-CNT樹枝狀結(jié)構(gòu)，另一種為Bi2S3@CNT共軸結(jié)構(gòu)。在樹枝狀Bi2S3-CNT復合結(jié)構(gòu)中，B

4、i2S3納米棒垂直于CNT生長，電解液可以直接滲透到納米棒的底部；而柔性CNT對電荷的轉(zhuǎn)移提供了快捷通道，因而該材料具有非常優(yōu)良的電化學儲鋰性能。電化學測試表明，樹枝狀Bi2S3-CNT表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和倍率性能，在3 A g-1電流下容量仍然接近400 mAh g-1，90次循環(huán)后容量穩(wěn)定在534 mAh g-1。
　　我們進一步制備了Bi2S3@CNT共軸結(jié)構(gòu)，其制備在冰浴中進行，因而有效控制了反應(yīng)的速率。在Bi2S3@C

5、NT中，Bi2S3與CNT存在著化學耦合，因而結(jié)合非常緊密，不易脫落。該 Bi2S3@CNT的循環(huán)和倍率性能同樣很優(yōu)異，在0.2和1 A g?1電流下循環(huán)100次容量仍然保持了502和405 mAh g-1。而且，該共軸材料在5 A g-1電流下，仍然保持376 mAh g-1的容量。高速循環(huán)伏安掃描實驗證實，該材料可以經(jīng)受10 mV s-1電位掃描而不損失基本的形狀，突出體現(xiàn)了該共軸材料的高倍率特性。
　　（3）以上結(jié)構(gòu)設(shè)計可以

6、獲得高容量和高倍率的Bi2S3材料，但是該材料的首次庫倫效率一般比較低（<70％），難以實際利用。我們進一步設(shè)計了Bi2O3-Bi2S3異質(zhì)結(jié)構(gòu)來解決這一難題。我們采用表面活性劑CTAB來調(diào)控硫化過程，從而得到了內(nèi)部為Bi2O3，外部為Bi2S3的納米片層。電化學測試表明，該Bi2O3-Bi2S3的首次庫倫效率達到83.7%，遠高于以前的Bi2S3或者Bi2O3材料，并且也高于大多數(shù)的金屬氧化物和硫化物負極材料。因此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)為硫化物儲