基于電化學(xué)儲(chǔ)能與傳感應(yīng)用的過渡金屬硫化物納米材料的合成與性能.pdf

1、隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，人們致力于研究新型電能儲(chǔ)存設(shè)備。近年來，電化學(xué)超級(jí)電容器由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而引起了廣泛的關(guān)注。一般來說，超級(jí)電容器的電極材料可分為三類：碳材料、導(dǎo)電聚合物、過渡金屬化合物。其中，過渡金屬化合物不僅可以依靠靜電吸附儲(chǔ)存電荷，也可以在電極材料與電解液間發(fā)生法拉第反應(yīng)。因此，過渡金屬化合物成作為超級(jí)電容器電極材料引起了大量研究。在這些過渡金屬化合物中，二氧化釕由于具有寬的電壓窗，高度可逆的氧化還原反應(yīng)而被廣泛研究

2、。但是高昂的成本限制了商業(yè)化應(yīng)用。因此，一些來源于 Mn、Co、Ni等的一些低成本過渡金屬化合物成為優(yōu)先考慮的代替者。
　　另一方面，糖尿病已成為全球最大危害人類健康之一的疾病。血糖值是這種疾病的代表性特征。為了測(cè)定血糖值，葡萄糖傳感器的研究得到了極大的鼓舞。由于基于酶的傳統(tǒng)葡萄糖傳感器具有一些缺點(diǎn)如穩(wěn)定性低、成本高，因此，科研工作者投入了大量的精力發(fā)展低成本、高靈敏度、且具有高選擇性的無酶葡萄糖傳感器。近年來，納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)在

3、電化學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，其在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用主要是利用納米結(jié)構(gòu)改性電極的催化能力，可以降低反應(yīng)的過電位，并使得其在動(dòng)力學(xué)上更加容易進(jìn)行，提高氧化還原反應(yīng)的可逆性。
　　據(jù)此，本論文主要圍繞過渡金屬硫化物納米材料的設(shè)計(jì)合成，電極設(shè)計(jì)及液相、固相超級(jí)電容器和無酶葡萄傳感器的構(gòu)筑開展了一些研究。具體內(nèi)容如下：
　?。?）通過簡單低成本的一步溶劑熱法合成三元 Cu-Co硫化物，CuCo2S4，其平均尺寸為20-60nm。電化學(xué)

4、測(cè)試結(jié)果表明，CuCo2S4納米材料在3 mol dm-3 KOH電解液中表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能。1 A g-1時(shí)電流密度比電容達(dá)到443.7 F g-1，經(jīng)過10000次的循環(huán)充放電測(cè)試后電容保持率為83.8％。更重要的是，以CuCo2S4材料和活性炭分別制作成電容器的正極和負(fù)極并組裝成不對(duì)稱超級(jí)電容器具有高的面電容，在3 mA cm-2電流密度下，其面電容達(dá)到274.5 mF cm-2，經(jīng)過5000圈在不同電流密度的恒電流充放電測(cè)試

5、后，該不對(duì)稱設(shè)備電容保持率為94.7%。而且，組裝的超級(jí)電容器可以充電然后放電來驅(qū)動(dòng)各種電子元件。
　　（2）將CuCo2S4材料與活性炭分別作為超級(jí)電容器的正、負(fù)極活性材料，泡沫鎳作為集流體，聚乙烯醇/KOH作為電解質(zhì)，組裝了全固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器CuCo2S4//AC，并通過循環(huán)伏安和恒電流充放電研究其電化學(xué)性能。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該全固態(tài)不對(duì)稱CuCo2S4//AC超級(jí)電容器的電壓窗口可以達(dá)到0-1.4 V，在3 mA c

6、m-2的電流密度下，比電容為42.7 F g-1。當(dāng)能量密度為11.5Wh kg-1時(shí)，功率密度為281.3W kg-1。為了對(duì)比又組裝了全固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器CuCo2S4//CuCo2S4。
　?。?）CuCo2S4納米粒子具有大的比表面積、高的表面活性和催化效率，其可以作為葡萄糖氧化的電催化劑。因此，以合成的CuCo2S4納米顆粒為活性材料，利用全氟磺酸（Nafion）將其固定到玻碳電極（GCE）表面，從而構(gòu)建了一種基于CuC

7、o2S4/Nafion/GCE的無酶葡萄糖傳感器。通過循環(huán)伏安法、計(jì)時(shí)電位法測(cè)試了各種影響因素，如pH、活性物質(zhì)的負(fù)載量和工作電位。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，該傳感器對(duì)葡萄糖的靈敏度為21.46μA cm-2 mM-1，線性范圍為0.05～0.8 mmol L-1，檢出限為9.54μM( S/N=3)。
　?。?）通過簡單有效且沒有使用任何表面活性劑的溶劑熱法成功合成了具有高長徑比NiS納米線陣列。該泡沫鎳支撐的NiS納米線陣列作為無粘