普鲁士蓝类材料的设计合成及其电化学应用

• 作 者: 王士成
• 出 处: 宁波大学
• 发表日期: 2020年06期
• 关键词: 普鲁士蓝类材料 复合材料 衍生材料 电化学性能 超级电容器

普鲁士蓝（PB）及其复合材料和衍生产物近年来受到极大的关注,主要原因在于其在吸附分离、传感检测、光电催化、药物运载和癌症治疗等领域表现出极大的应用潜力,其中我们主要研究其在电化学能源存储与转换领域的应用。这些应用主要归功于普鲁士蓝类材料具有的以下特点:（1）其三维网络骨架提供了足够的离子传输通道,（2）金属元素的成分可调控性和优良的氧化还原活性为电化学反应提供丰富的活性位点,（3）由金属离子和配体组成的配位聚合物可以作为前驱体衍生得到一系列功能性材料。本论文重点从普鲁士蓝类材料作为超级电容器电极材料的电化学应用出发,通过设计合成其功能性复合材料,实现其电化学性能的极大提高。其中包括将具有优良电化学活性的普鲁士蓝与高导电性的石墨烯材料复合的策略,以及通过普鲁士蓝类材料制备得到其富氮掺杂碳骨架的衍生材料,以此为基底合成具有高比电容性、倍率和循环性能的NiS₂材料,使其更具实用性。具体内容如下:（1）通过原位合成法成功制备出高品质的石墨烯@普鲁士蓝（G@PB）纳米复合片状材料,此方法成功高效合成了全覆盖纳米普鲁士蓝颗粒的石墨烯片。通过调控不同石墨烯含量制备得到一系列G@PB纳米复合材料,其中G@PB-5复合材料具有最好的电化学性能,参数如下:在电流密度为1 A g^-1时表现出388.09 F g^-1的比电容值、提升的倍率性能和在5000次循环后保留率为97.2%的长循环稳定性,以及接近100%的库仑效率。而且由G@PB-5作为正极与活性碳作为负极组装的水系非对称超级电容器,显示出高达2.0 V的可逆工作电压。这些优良的电化学性能使得G@PB-5纳米复合材料在储能应用方面具有一定前景。（2）以单金属钴取代的类普鲁士蓝CoPBA作为反应模板,通过外层生长二维片状Ni（OH）₂制备得到具有核壳结构的CoPBA@Ni（OH）₂,进一步硫化得到具有多孔结构的CoS₂@NiS₂复合材料。测试显示该复合材料电极在1 A g^-1电流密度下具有1731.2 F g^-1的高比电容值,以及优异的倍率及循环等性能。分析机理可能在于,相比NiS₂,CoS₂具有更高的导电性,丰富的氮掺杂碳网络进一步降低了材料电阻,同时立方体骨架在提供丰富中孔结构的同时有效防止了电活性NiS₂的团聚,从而极大减小了质量扩散路径和充放电循环中的体积膨胀和塌缩带来的结构破坏。综上所述,本文致力于研究普鲁士蓝（PB）和类普鲁士蓝（PBAs）以及它们的复合和衍生产物,设计针对于超级电容器应用的电化学性能提升的合成策略,对所合成的一系列复合材料通过系统的测试分析探索材料微观结构和其电化学性能之间的关联,验证合成策略的可靠性和普适性。普鲁士蓝类材料作为优秀的电活性微纳结构材料将在能源存储与转化领域展现出极大的应用前景。