過渡金屬硫化物納米材料

1、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃創(chuàng)新訓(xùn)練項目申請書項目名稱 過渡金屬硫化物納米材料的制備及其儲電性能的研究 負(fù) 責(zé) 人 張晨 學(xué) 院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 年級專業(yè) 14級材料化學(xué) 聯(lián)系電話填表日期 2016.04.11 安徽師范大學(xué)教務(wù)處制項目名稱過渡金屬硫化物納米材料的制備及其儲電性能的研究項目所屬一級學(xué)科工科項目所屬二級學(xué)科材料類項目等級（ ）國家級 （ ）省級 （ ）校級項目類別（ ）創(chuàng)新訓(xùn)練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目項目來源導(dǎo)師課題 自主選題 競賽項目 其它來源 項目實(shí)施時間起始時間： 2016 年 06 月 完成時間： 2018 年 06月項目簡介(100字以內(nèi)）過渡金

2、屬硫?qū)倩衔锛{米材料由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在光吸收、超級電容轉(zhuǎn)換、光致發(fā)光等領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景，特別是做為超級電容器的電極材料，激發(fā)了廣大材料工作者的研究興趣。未來的研究不僅要著眼于新材料的制備，而且還要關(guān)注于電極的設(shè)計與合成。申請人或申請團(tuán)隊姓名年級學(xué)號所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話E-mail主持人張晨141411140410414級材料化學(xué)188953098751577873949成員張吳正知141411140410814級材料化學(xué)177301281212796551463陳翰迪141411140400514級材料化學(xué)183553108832335265800指 導(dǎo) 教 師第一指導(dǎo)教師姓名

3、王秀華單位安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院年齡43專業(yè)技術(shù)職務(wù)副教授主要成果在Nanoscale，Journal of Materials Chemistry A，CrystEngComm., J Colloid Interface Sci.等國際著名期刊上，在校工作期間以第一作者或通訊作者身份發(fā)表SCI論文16篇。第二指導(dǎo)教師姓名單位年齡專業(yè)技術(shù)職務(wù)主要成果一、申請理由（包括自身具備的知識條件、自己的特長、興趣、已有的實(shí)踐創(chuàng)新成果等）項目組成員都是材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識，掌握了相關(guān)的實(shí)驗技能，并曾經(jīng)跟著老師在實(shí)驗室做過材料制備的相關(guān)實(shí)驗，具備了完成這一課題的科研能力。

4、項目成員已完成大學(xué)本科無機(jī)化學(xué) 分析化學(xué)和有機(jī)化學(xué)課程，并且能很好的掌握這些基礎(chǔ)理論知識對本項目的開展奠定了基本的化學(xué)知識；此外，項目組成員對無機(jī)化學(xué)老師在課堂上介紹的課題組所開展的納米材料合成及其在超級電容器方面的應(yīng)用很感興趣，希望有機(jī)會能將所學(xué)的無機(jī)化學(xué)理論知識和掌握的實(shí)驗技能應(yīng)用到過渡金屬硫化物納米材料的制備過程中。項目組成員經(jīng)過近兩年的大學(xué)學(xué)習(xí)和鍛煉，已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)大學(xué)的學(xué)習(xí)生活，并在過去的課程考試中都取得了較好的成績。項目組成員也自學(xué)了有關(guān)超級電容器的相關(guān)內(nèi)容，并且不怕艱苦富有耐心，對待科學(xué)研究工作一絲不茍，做好了未來刻苦鉆研科學(xué)工作的準(zhǔn)備。二、項目方案具體內(nèi)容包括：1、項目研究

5、背景（國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義、項目已有的基礎(chǔ)，與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績，已具備的條件，尚缺少的條件及方法等）2、項目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容3、項目的創(chuàng)新點(diǎn)、特色和解決的關(guān)鍵技術(shù)4、研究方法與試驗方案5、項目研究技術(shù)路線6、研究進(jìn)度安排7、項目組成員分工8、項目可行性分析1、項目研究背景：能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。由于人們廣泛地使用煤和石油等化石燃料，導(dǎo)致了溫室效應(yīng)及資源的匿乏等環(huán)境問題。能源的供給和需求之間的矛盾曰益突出。因此，為了實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，尋找能夠替代傳統(tǒng)能源的新型綠色能源迫在眉睫。在電化學(xué)儲能領(lǐng)域，由于化學(xué)電源可以把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率高而受到

6、人們廣泛的關(guān)注，超級電容器、鋰離子電池和燃料電池由于其在電動或混合動力車領(lǐng)域、電子脈沖領(lǐng)域和軍事航天領(lǐng)域極為優(yōu)異的發(fā)展?jié)撃埽蔀楸皇澜缈茖W(xué)家研究最多的三種新型儲能體系13。 超級電容器具有很高的放電功率和電荷儲存能力，填補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器和電池這兩類儲能元件之間的空白，滿足了人類對新型綠色能源的需求。超級電容器以其高的功率密度、大容量、充放電性能好、大電流的電化學(xué)性能、使用壽命長、以及環(huán)保等特點(diǎn)，在通訊、電子、航空航天以及國防等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，超級電容器被廣泛應(yīng)用于移動通訊、工業(yè)領(lǐng)域、消費(fèi)電子、電動汽車和國防科技等方面4,5。超級電容器主要由電極材料、電解質(zhì)、隔膜和集流體等四部分組成，其

7、性能主要受電極材料和所用電解池體系的影響，因此，尋找更為理想的電極體系和電極材料成為提高超級電容器性能的重要途徑。尋找低電阻、能量密度高、環(huán)境友好并且具有較好可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料一直是人們研究的重點(diǎn)。貴金屬氧化物的水合物具有很好的電容特性，是目前比較理想的超級電容器電極材料，但由于價格昂貴、有毒，限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。過渡金屬氧化物具有與二氧化釕相似的電化學(xué)性能，且儲量豐富、價格低廉、環(huán)境友好，已經(jīng)引起了廣大科研工作者的關(guān)注7-9。采用整合電極可以充分發(fā)揮各整合材料的優(yōu)勢，使整合材料具有良好的導(dǎo)電性、敏感的電化學(xué)響應(yīng)性、機(jī)械穩(wěn)定性等特點(diǎn)10-13。從電化學(xué)表面能看，整合電極最明顯的優(yōu)點(diǎn)是

8、，顯著的降低了材料活性面的表面能。這將有效的減少電極與電解質(zhì)溶液發(fā)生副反應(yīng)，并有效地防止納米材料之間的聚合，從而使材料表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。在所有整合電極的設(shè)計與合成中，最常見的是在導(dǎo)電基板上直接合成納米陣列。該方法最大的優(yōu)越性在于一步合成，方法簡易，制備過程簡單。而且制備的電極不需要進(jìn)一步引入黏固劑、導(dǎo)電劑等輔助試劑。這些設(shè)計研究主要有：核-殼整合結(jié)構(gòu)、納米線/納米泡沫電流收集器、柔性紙/纖維電極。在此類的設(shè)計中又以柔性整合電極的合成，表現(xiàn)出更吸引人的優(yōu)越性14，15。本課題組擬在溫和的液相反應(yīng)體系中，可控合成過渡金屬硫化物納米超級電容材料，通過選擇合適的反應(yīng)前軀體、溶劑和形態(tài)控制劑，優(yōu)化實(shí)驗

9、條件，實(shí)現(xiàn)對過渡金屬硫化物納米晶體的可控合成。并將過渡金屬硫化物納米材料用于微納超級電容器件，考察過渡金屬硫化物納米材料的超級電容性質(zhì)，研究和探索過渡金屬硫化物納米材料的形貌、組成、結(jié)構(gòu)與超級電容性能之間的關(guān)系和規(guī)律。闡明其超級電容性能的發(fā)生機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對材料超級電容功能的調(diào)控，為過渡金屬硫化物納米超級電容材料的制備及在超級電容器件中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本項目的成功實(shí)施可提供一種簡便有效的過渡金屬硫化物納米結(jié)構(gòu)的制備方法，為過渡金屬硫化物的可控合成及應(yīng)用提供實(shí)驗基礎(chǔ)和理論積累，具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。主要參考文獻(xiàn)：1M. I. Hossain, F. H. Alharbi, Mate

10、rials Technology 2013, 28, 88-97.2Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nature Nanotechnology 2012, 7, 699-712.3E. Morosan, D. Natelson, A. H. Nevidomskyy, Q. Si, Advanced Materials 2012, 24, 4896-4923.4S. P. Gabuda, S. G. Kozlova, M. R. Ryzhikov, V. E. Fedorov, Journal

11、 of Physical Chemistry C 2012, 116, 20651-20655.5N. Zibouche, A. Kuc, T. Heine, European Physical Journal B 2012, 85.6H. Pan, Y.-W. Zhang, Journal of Physical Chemistry C 2012, 116, 11752-11757.7V. V. Plashnitsa, F. Vietmeyer, N. Petchsang, P. Tongying, T. H. Kosel, M. Kuno, Journal of Physical Chem

12、istry Letters 2012, 3, 1554-1558.8I. Popov, G. Seifert, D. Tomanek, Physical Review Letters 2012, 108.9A. Ramasubramaniam, Physical Review B 2012, 86.10H. Wang, L. Yu, Y.-H. Lee, Y. Shi, A. Hsu, M. L. Chin, L.-J. Li, M. Dubey, J. Kong, T. Palacios, Nano Letters 2012, 12, 4674-4680.11K. S. Novoselov,

13、 D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2005, 102, 1045110453.12J. W. Seo, Y. W. Jun, S. W. Park, H. Nah, T. Moon, B. Park, J. G. Kim, Y. J. Kim and J. Cheon, Angew. Chem., Int. Ed. ,2007, 46, 88288831.13Z.Y.Zeng,Z.Y.Yin,X.Hua

14、ng,H.Li,Q.Y.He,G.Lu,F.Boey and H. Zhang,Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 1109311097.14Y. Zhang, J. Ye, Y. Matsuhashi, Y. Iwasa, Nano Letters 2012, 12, 1136-1140.15 Y. Zhou, Z. Wang, P. Yang, X. Zu, L. Yang, X. Sun, F. Gao, ACS nano 2012, 6, 9727-9736.2、研究目標(biāo)：在液相中利用溶劑熱、模板法、再沉淀法可控合成過渡金屬硫化物納米材料并將過渡金屬硫化

15、物納米材料用于超級電容器器件。研究內(nèi)容：材料制備研究在液相體系中過渡金屬硫化物納米晶體的制備、影響因素及形成機(jī)理。在化學(xué)液相合成的基礎(chǔ)上，利用溶劑熱法、模板法、再沉淀法合成多種過渡金屬硫化物納米儲電材料。材料表征對所合成的過渡金屬硫化物納米結(jié)構(gòu)，用元素分析、譜學(xué)等方法分析測定成分和價態(tài)，用透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌和尺寸，用X射線衍射和電子衍射技術(shù)研究樣品的物相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)，用高分辨電子顯微鏡研究合成納米材料的高分辨像和微結(jié)構(gòu)。用俄歇電子能譜等研究產(chǎn)物的電子能級、價態(tài)和成鍵情況研究電子結(jié)構(gòu)以及納米晶體微結(jié)構(gòu)等。超級電容性能應(yīng)用研究把所制得的二維過渡金屬硫化物納米材料整合電極應(yīng)用于微納超級電容

16、器件，研究所制備的二維過渡金屬硫化物半導(dǎo)體的超級電容性能?？疾炱涑夒娙菪阅?。通過循環(huán)曲線、充放電曲線以及電化學(xué)阻抗譜等表征手段研究電極的存儲電容量和充放電穩(wěn)定性。3、項目的創(chuàng)新點(diǎn)、特色和解決的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)、特色：簡單有效的過渡金屬硫化物納米晶體的組裝模式。在沒有復(fù)雜助劑參與的情況下，實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫化物納米材料的液相可控合成。 將材料制備與性能相統(tǒng)一。通過對過渡金屬硫化物納米材料的儲電導(dǎo)性能的探討，構(gòu)筑微納米儲電器件，實(shí)現(xiàn)其儲電性能可控調(diào)控。擬解決的關(guān)鍵技術(shù)：控制合成不同結(jié)構(gòu)、形貌、組成的過渡金屬硫化物納米材料是本研究的前題和關(guān)鍵。研究和探索過渡金屬硫化物納米材料的形貌、組成、結(jié)構(gòu)與儲電性能

17、之間的關(guān)系和規(guī)律是本研究的難點(diǎn)之一，最終實(shí)現(xiàn)微納儲電器件的儲電性能的調(diào)控也是本課題的關(guān)鍵。4、研究方法與實(shí)驗方案：樣品合成在制備過程中探索溶劑、濃度、溫度以及時間對合成條件的影響，選擇合適的條件，設(shè)計合理的反應(yīng)路線，制備過渡金屬硫化物納米材料。產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)分析與微結(jié)構(gòu)分析對所合成的過渡金屬硫化物納米結(jié)構(gòu)，用元素分析、譜學(xué)等方法分析測定成分和價態(tài)，用透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌和尺寸，用X射線衍射和電子衍射技術(shù)研究樣品的物相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)，用高分辨電子顯微鏡研究合成納米材料的高分辨像和微結(jié)構(gòu)。超期電容器性能研究在成分、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過改變反應(yīng)條件，探索液相可控合成過渡金屬硫化物

18、納米材料的機(jī)理和規(guī)律。研究所制備的過渡金屬硫化物納米材料。 應(yīng)用研究文獻(xiàn)調(diào)研研究過渡金屬硫化物納米材料的制備方案法自制模板法溶液反應(yīng)界面反應(yīng)研究各種生長條件對過渡金屬硫化物納米材料結(jié)構(gòu)、形貌和儲電性能的影響把所制得的過渡金屬硫化物納米材料。應(yīng)用于微納儲電器件，通過改變過渡金屬硫化物納米材料的大小，用尺寸對過渡金屬硫化物納米材料儲電功能材料中的發(fā)光波長以及激子手性進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對材料儲電功能的調(diào)控。5、項目研究技術(shù)路線6、研究進(jìn)度安排2016年6月2016年8月：查閱資料、自主設(shè)計項目研究方案。2016年9月2018年2月：實(shí)驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理與分析。2018年3月2018年6月：填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報告。7、項目組成員分工本項目組由14材料化學(xué)專業(yè)張晨組織，同專業(yè)陳翰迪與張吳正知通力協(xié)作。其中張晨為小組負(fù)責(zé)人，主要負(fù)責(zé)會議的召開、任務(wù)的分工與協(xié)調(diào)、實(shí)驗的設(shè)計與安排等工作，陳翰迪主要負(fù)責(zé)資料的查找、實(shí)驗的準(zhǔn)備與操作對實(shí)驗進(jìn)行分析處理等工作，張吳正知則主要負(fù)責(zé)項目的記錄、資金的分配處理、項目的實(shí)際應(yīng)用等工作。8、項目可行性分析：在液相可控合成過渡金屬硫化物納米材料的研究中，有很多過渡金屬硫化物納米材料已經(jīng)被制備出來，并把它們應(yīng)用于儲電器件中，對儲電性能產(chǎn)生