硫化鈷的制備及其電容性能化學(xué)工程與工藝

1、淮 陰 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：任建山學(xué) 號(hào)：1111601113專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝設(shè)計(jì)(論文)題目：硫化鈷的制備及其電容性能指 導(dǎo) 教 師:馮良東2015年3月10日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述文 獻(xiàn) 綜 述1 超級(jí)電容器1概述超級(jí)電容器(Supercapacitor)，也就是電化學(xué)電容器，其不同于二次電池和傳統(tǒng)電容器，是一種新型的、具有顯著優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能元件它具有高功率密度、超大電容量、價(jià)格低廉、優(yōu)異的瞬時(shí)充放電性能、且循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足多領(lǐng)域需求，在混合動(dòng)力源

2、啟動(dòng)動(dòng)力源等方面應(yīng)用前景廣闊，受到人們廣泛關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)電容器，超級(jí)電容器具有更高的比能量，其容量可高達(dá)到數(shù)千法拉，能量密度是傳統(tǒng)電容器10倍以上。超級(jí)電容器不同于電池，在很多方面，它的性能明顯優(yōu)于電池。用納米材料構(gòu)建的超級(jí)電容器具有大功率密度、高充放電容量等顯著優(yōu)勢(shì)，并且超級(jí)屯容器可在額定電壓內(nèi)任意充電并且能完全放出。另外，超級(jí)電容器充放電循環(huán)次數(shù)高達(dá)數(shù)十力次，可快速充電，且反復(fù)傳輸高功率脈沖對(duì)壽命無影響，這些方面都是電池?zé)o法比擬的2。超級(jí)電容器結(jié)合了電池和傳統(tǒng)電容器的優(yōu)點(diǎn)，顯示出自身優(yōu)異的特性。隨著研究的不斷深入和發(fā)展，超級(jí)電容器在通訊科技、電子信息技術(shù)、家用電器、數(shù)碼電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車

3、、航空航天技術(shù)以及國(guó)防科技等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。由此可見，超級(jí)電容器具備很高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。2 硫化鈷在超級(jí)電容器中的應(yīng)用超級(jí)電容器采用何種電極材料是影響其性能的關(guān)鍵因素，若想提高超級(jí)電容器的性能，發(fā)展新型的電極材料至關(guān)重要3。具有多種化學(xué)計(jì)量比的硫化鈷(Co1-xS，CoS，CoS2，Co3S4，C09S8)由于其獨(dú)特的光電、磁性和電化學(xué)性能吸引了眾多研究者的研宄4-6。 近年來，鈷基化合物材料在太陽能電池、超級(jí)電容器、鋰離子電池等領(lǐng)14域顯示了畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)鈷基化合物作為超級(jí)電容器的電極材料時(shí)，鈷基化合物在電解液中發(fā)生法拉第氧化還原

4、反應(yīng)，是鈷離子不同價(jià)態(tài)(2價(jià)，3價(jià)，4價(jià))之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，通過H+脫嵌來儲(chǔ)能。除了材料的形貌對(duì)于電極的電化學(xué)電容性能起著重要的影響，材料的導(dǎo)電性能對(duì)于電極的電化學(xué)電容性能也起著重要的作用。因此，對(duì)于通過其它的方式提高材料的導(dǎo)電性，科研工作者進(jìn)行了大量的研究。例如Wang等人將 CoS納米顆粒與石墨烯復(fù)合，來提高材料的導(dǎo)電性，對(duì)比 CoS納米顆粒電極，復(fù)合后的材料導(dǎo)電性明顯提高，同時(shí)材料的電化學(xué)電容性能及循環(huán)穩(wěn)定性能也得到了提高。硫化鈷7在電容器中作為一種較為理想的熱電池正極材料，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）自身的電阻率低，其電阻率為0.002cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于FeS2的17.7cm，從而降低了電池的歐姆

5、極化；（2）化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫時(shí)不與LiCl-KCl等低共熔鹽電解質(zhì)反應(yīng)；（3）分解溫度高，其分解溫度超過了725，可作為長(zhǎng)壽命熱電池的正極材料。世界上許多國(guó)家均研究過CoS，在20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)的NorthropGrumman公司發(fā)現(xiàn)了CoS材料并將其用于熱電池，其具有較好的放電性能，有希望取代FeS2成為新型的熱電池正極材料。孫淑洋采用CoS正極材料裝配成熱電池，其脈沖放電時(shí)內(nèi)阻與FeS2相比降低了大約40%，其大電流放電、開路擱置等性能均優(yōu)于FeS2體系。這是由于CoS不僅具有良好的電子導(dǎo)電性，使電池的歐姆電阻較小，而且多孔結(jié)構(gòu)的CoS比表面較大，大電流放電時(shí)電化學(xué)極化較小。對(duì)L

6、iSi-CoS體系熱電池的研究表明：多孔結(jié)構(gòu)的CoS材料電阻小、大電流放電性能好，非常適用于長(zhǎng)壽命、高比功率熱電池。3 硫化鈷的制備方法制備CoS的常用方法是水熱法。水熱法8（Hydrothermal）是以水作為反應(yīng)介質(zhì)，將反應(yīng)物置于密閉的反應(yīng)釜內(nèi)，進(jìn)行加熱，從而使反應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生高溫、高壓，將難溶或不溶的物質(zhì)溶解掉，令其以溶液的形式參與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而結(jié)晶的方法。目前對(duì)于硫化鈷的制備主要有 BaoShujuan9等人用水熱法制備出了硫化鈷納米線，研究了其作為超級(jí)電容器材料的電容量和導(dǎo)電性能，單位比電容達(dá)到508Fg-1，快要接近比電容最好的 RuO2，但是其價(jià)格更為低廉，所以CoS 納米材料有望用于

7、制備高性能的超級(jí)電容器。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 按照1:1的物質(zhì)的量比準(zhǔn)確稱量CoCl26H2O 和硫脲10，將其溶解于100 ml 二次水中用磁力攪拌器攪拌30 min，待攪拌均勻得到粉紅色澄清透明的溶液后，將液體轉(zhuǎn)到50 ml聚四氟乙稀內(nèi)襯的反應(yīng)爸中，150水熱反應(yīng)24 h，待反應(yīng)釜自然冷卻到室溫后，離心收集反應(yīng)釜中的黑色沉淀，并用二次水和乙醇分別清洗三次，為了避免產(chǎn)物氧化，所得樣品在真空干燥箱中60干燥10 h。實(shí)驗(yàn)流程如圖4.111所示。為了對(duì)比，在不改變其他條件的情況下,通過改變NasCit的添加量和反應(yīng)時(shí)間，對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。硫化鈷納米材料的制

8、備124 硫化鈷納米材料的電化學(xué)性能13圖4.4為單質(zhì)Co單質(zhì)S和Co-S電極在充放電電流密度為100 mAg-1時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。測(cè)試結(jié)果顯示，單質(zhì)Co的容量衰減較快。單質(zhì)S在充放電循環(huán)至第2周時(shí)，放電容量已接近為零，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，2周后S基本溶于電解液，因此單質(zhì)S沒有可逆容量。圖中sample（a、b、c、d）是硫化鈷的四種樣品，其中樣品a由均勻混合法制備，b、c由球磨法制備，d由水熱法制備。研究發(fā)現(xiàn)樣品a的初始放電容量較低，經(jīng)過40周的活化后，其放電容量達(dá)到最高，循環(huán)150周以后，可逆放電容量仍然保持在300 mAh g-1，容量保持率為85.5%?？梢钥闯觯蚰?0h后得到的樣品b比

9、樣品a具有更高的初始放電容量，且更容易活化，這可能由于球磨使Co的粒度減小，且產(chǎn)生更多的反應(yīng)活性點(diǎn)，有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，但是其容量衰減較快。樣品c和樣品d的放電容量均較低。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告參考文獻(xiàn)1施剛偉，水熱法合成金屬硫化物納米片及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用D.信陽師范學(xué)院，2014.14-16 2 Xu L,Gao J, Cao W, et al. Preparation and electrochemical capacitance of cobalt oxide (C03O4) nanotubes as supercapaci

10、tor material J, Electrochim. Acta, 2010,56(2): 732-7363劉淑敏，過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料的合成和電化學(xué)性能研究D.長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.9-10 4 Pasquariello D M,Kershaw R, Passaretti J D, et al. Low-temperature synthesis and properties of cobalt sulfide (Co9S8), nickel sulfide (Ni3S2), and iron sulfide (Fe7S8). Inorg. Chem., 1984, 23:872-

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12、pe evolution and magnetic properties of cobalt sulfide. Cryst. Growth Des., 2008, 8(10): 3745-3749 7 施剛偉，水熱法合成金屬硫化物納米片及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用D.信陽師范學(xué)院，2014.31-32 8 王慶紅，Co-S材料在堿性溶液中的儲(chǔ)能性能D.南開大學(xué)，2012.54-549 劉淑敏，過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料的合成和電化學(xué)性能研究D.長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.30-3010 王慶紅，Co-S材料在堿性溶液中的儲(chǔ)能性能D.南開大學(xué)，2012.57-5811 李碧，CoS納米晶的制備及其性能研

13、究D陜西科技大學(xué)，2012.25-2612 王敏，水熱法制備二硫化鈷空心微球化學(xué)世界，0367-6358(2009)10-0577-0413 陶峰，電化學(xué)電容器電極材料的制備及其性能研究D.蘭州大學(xué)，2007.44-45畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）1 本課題的目的：利用水熱等方法制備具有微納結(jié)構(gòu)的CoS?？疾旆磻?yīng)溫度、S源、Co和S的摩爾比、溶劑、表面活性劑等對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌的影響，并在此基礎(chǔ)上研究制備條件對(duì)CoS電容性能的影響。2 儀器與藥品儀器：水熱反應(yīng)釜；抽濾機(jī)；真空干燥箱；離心機(jī)；X-射線衍射儀；掃描電鏡；燒杯；稱量瓶；電

14、子天平；量筒等。藥品：CoCl26H2O；L-半胱氨酸；去離子水等。3 本課題實(shí)驗(yàn)方案稱取0.71309g分析純CoCl26H2O，溶50mL蒸餾水中，再稱取0.36348g分析純L-半胱氨酸，溶50mL蒸餾水中。將兩份溶液混合后磁力攪拌30min然后轉(zhuǎn)移到3個(gè)反應(yīng)釜中在150高溫下反應(yīng)12、24、48小時(shí)依次取出。所生成的沉淀經(jīng)離心、去離子水分別洗滌數(shù)次后，置于150真空干燥箱干燥數(shù)小時(shí)后，所得樣品待測(cè)。改變反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)條件溫度或反應(yīng)物比例按照上述方法制得樣品待測(cè)。按照上述方法在反應(yīng)物中加入表面活性劑所制得樣品待測(cè)。4 性能測(cè)試循環(huán)伏安測(cè)試、恒電流充放電測(cè)試在電化學(xué)工作站電池測(cè)試儀器上進(jìn)行，充放電截止電壓為0.5 V，充放電電流密度為505000 mA/g。交流阻抗測(cè)試(EIS)在電化學(xué)工作站上進(jìn)行，交流電壓為5mV，頻率1-100000 Hz。樣品的物相表征采用X射線衍射儀，樣品的表面形貌采用掃描電鏡等進(jìn)行觀察。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告5 進(jìn)度安排1月12日 3月10日 文獻(xiàn)查閱及開題報(bào)告撰寫3月11日 4月23日 水熱制備CoS及其表征4月24日 中期檢查4月25日 5月20日 電容性能研究5月21日 6月09日 撰寫畢業(yè)論文 6月16日 答辯 畢 業(yè) 論 文 開 題 報(bào)