硫化钴的制备及其电容性能-化学工程与工艺毕业论文开题报告.doc

淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：任建山学 号：1111601113专 业：化学工程与工艺设计(论文)题目：硫化钴的制备及其电容性能指 导 教 师:冯良东2015年3月10日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1 超级电容器1概述超级电容器(Supercapacitor)，也就是电化学电容器，其不同于二次电池和传统电容器，是一种新型的、具有显著优势的储能元件它具有高功率密度、超大电容量、价格低廉、优异的瞬时充放电性能、且循环寿命长等优点，可满足多领域需求，在混合动力源启动动力源等方面应用前景广阔，受到人们广泛关注。相对于传统电容器，超级电容器具有更高的比能量，其容量可高达到数千法拉，能量密度是传统电容器10倍以上。超级电容器不同于电池，在很多方面，它的性能明显优于电池。用纳米材料构建的超级电容器具有大功率密度、高充放电容量等显著优势，并且超级屯容器可在额定电压内任意充电并且能完全放出。另外，超级电容器充放电循环次数高达数十力次，可快速充电，且反复传输高功率脉冲对寿命无影响，这些方面都是电池无法比拟的2。超级电容器结合了电池和传统电容器的优点，显示出自身优异的特性。随着研究的不断深入和发展，超级电容器在通讯科技、电子信息技术、家用电器、数码电子产品、电动汽车、航空航天技术以及国防科技等领域将得到更广泛的应用。由此可见，超级电容器具备很高的研究价值和广阔的应用前景。2 硫化钴在超级电容器中的应用超级电容器采用何种电极材料是影响其性能的关键因素，若想提高超级电容器的性能，发展新型的电极材料至关重要3。具有多种化学计量比的硫化钴(Co1-xS，CoS，CoS2，Co3S4，C09S8)由于其独特的光电、磁性和电化学性能吸引了众多研究者的研宄4-6。 近年来，钴基化合物材料在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池等领14域显示了毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告巨大的应用前景。当钴基化合物作为超级电容器的电极材料时，钴基化合物在电解液中发生法拉第氧化还原反应，是钴离子不同价态(2价，3价，4价)之间的转化反应，通过H+脱嵌来储能。除了材料的形貌对于电极的电化学电容性能起着重要的影响，材料的导电性能对于电极的电化学电容性能也起着重要的作用。因此，对于通过其它的方式提高材料的导电性，科研工作者进行了大量的研究。例如Wang等人将 CoS纳米颗粒与石墨烯复合，来提高材料的导电性，对比 CoS纳米颗粒电极，复合后的材料导电性明显提高，同时材料的电化学电容性能及循环稳定性能也得到了提高。硫化钴7在电容器中作为一种较为理想的热电池正极材料，它具有以下优点：（1）自身的电阻率低，其电阻率为0.002cm，远远低于FeS2的17.7cm，从而降低了电池的欧姆极化；（2）化学稳定性好，高温时不与LiCl-KCl等低共熔盐电解质反应；（3）分解温度高，其分解温度超过了725，可作为长寿命热电池的正极材料。世界上许多国家均研究过CoS，在20世纪90年代中期，美国的NorthropGrumman公司发现了CoS材料并将其用于热电池，其具有较好的放电性能，有希望取代FeS2成为新型的热电池正极材料。孙淑洋采用CoS正极材料装配成热电池，其脉冲放电时内阻与FeS2相比降低了大约40%，其大电流放电、开路搁置等性能均优于FeS2体系。这是由于CoS不仅具有良好的电子导电性，使电池的欧姆电阻较小，而且多孔结构的CoS比表面较大，大电流放电时电化学极化较小。对LiSi-CoS体系热电池的研究表明：多孔结构的CoS材料电阻小、大电流放电性能好，非常适用于长寿命、高比功率热电池。3 硫化钴的制备方法制备CoS的常用方法是水热法。水热法8（Hydrothermal）是以水作为反应介质，将反应物置于密闭的反应釜内，进行加热，从而使反应环境产生高温、高压，将难溶或不溶的物质溶解掉，令其以溶液的形式参与化学反应进而结晶的方法。目前对于硫化钴的制备主要有 BaoShujuan9等人用水热法制备出了硫化钴纳米线，研究了其作为超级电容器材料的电容量和导电性能，单位比电容达到508Fg-1，快要接近比电容最好的 RuO2，但是其价格更为低廉，所以CoS 纳米材料有望用于制备高性能的超级电容器。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 按照1:1的物质的量比准确称量CoCl26H2O 和硫脲10，将其溶解于100 ml 二次水中用磁力搅拌器搅拌30 min，待搅拌均匀得到粉红色澄清透明的溶液后，将液体转到50 ml聚四氟乙稀内衬的反应爸中，150水热反应24 h，待反应釜自然冷却到室温后，离心收集反应釜中的黑色沉淀，并用二次水和乙醇分别清洗三次，为了避免产物氧化，所得样品在真空干燥箱中60干燥10 h。实验流程如图4.111所示。为了对比，在不改变其他条件的情况下,通过改变NasCit的添加量和反应时间，对产物的结构形貌和电化学性能进行了研究。硫化钴纳米材料的制备124 硫化钴纳米材料的电化学性能13图4.4为单质Co单质S和Co-S电极在充放电电流密度为100 mAg-1时的循环稳定性曲线。测试结果显示，单质Co的容量衰减较快。单质S在充放电循环至第2周时，放电容量已接近为零，通过检测发现，2周后S基本溶于电解液，因此单质S没有可逆容量。图中sample（a、b、c、d）是硫化钴的四种样品，其中样品a由均匀混合法制备，b、c由球磨法制备，d由水热法制备。研究发现样品a的初始放电容量较低，经过40周的活化后，其放电容量达到最高，循环150周以后，可逆放电容量仍然保持在300 mAh g-1，容量保持率为85.5%。可以看出，球磨10h后得到的样品b比样品a具有更高的初始放电容量，且更容易活化，这可能由于球磨使Co的粒度减小，且产生更多的反应活性点，有利于电化学反应的进行，但是其容量衰减较快。样品c和样品d的放电容量均较低。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告参考文献1施刚伟，水热法合成金属硫化物纳米片及其在超级电容器中的应用D.信阳师范学院，2014.14-16 2 Xu L,Gao J, Cao W, et al. Preparation and electrochemical capacitance of cobalt oxide (C03O4) nanotubes as supercapacitor material J, Electrochim. Acta, 2010,56(2): 732-7363刘淑敏，过渡金属硫化物及其复合材料的合成和电化学性能研究D.长春理工大学，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, 23:872-874 5 Yuan C Z, Gao B, Su L H, et al. Electrochemically induced phase transformation and charge-storage mechanism of amorphous CoSx nanoparticles prepared by interface-hydrothermal method batteries and energy storage. J. Electrochem. Soc., 2009,156(3): A199-A203 6 Bao S J, Li Y B, Li C M, et al. Shape evolution and magnetic properties of cobalt sulfide. Cryst. Growth Des., 2008, 8(10): 3745-3749 7 施刚伟，水热法合成金属硫化物纳米片及其在超级电容器中的应用D.信阳师范学院，2014.31-32 8 王庆红，Co-S材料在碱性溶液中的储能性能D.南开大学，2012.54-549 刘淑敏，过渡金属硫化物及其复合材料的合成和电化学性能研究D.长春理工大学，2014.30-3010 王庆红，Co-S材料在碱性溶液中的储能性能D.南开大学，2012.57-5811 李碧，CoS纳米晶的制备及其性能研究D陕西科技大学，2012.25-2612 王敏，水热法制备二硫化钴空心微球化学世界，0367-6358(2009)10-0577-0413 陶峰，电化学电容器电极材料的制备及其性能研究D.兰州大学，2007.44-45毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1 本课题的目的：利用水热等方法制备具有微纳结构的CoS。考察反应温度、S源、Co和S的摩尔比、溶剂、表面活性剂等对产物的结构和形貌的影响，并在此基础上研究制备条件对CoS电容性能的影响。2 仪器与药品仪器：水热反应釜；抽滤机；真空干燥箱；离心机；X-射线衍射仪；扫描电镜；烧杯；称量瓶；电子天平；量筒等。药品：CoCl26H2O；L-半胱氨酸；去离子水等。3 本课题实验方案称取0.71309g分析纯CoCl26H2O，溶50mL蒸馏水中，再称取0.36348g分析纯L-半胱氨酸，溶50mL蒸馏水中。将两份溶液混合后磁力搅拌30min然后转移到3个反应釜中在150高温下反应12、24、48小时依次取出。所生成的沉淀经离心、去离子水分别洗涤数次后，置于150真空干燥箱干燥数小时后，所得样品待测。改变反应时间或反应条件温度或反应物比例按照上述方法制得样品待测。按照上述方法在反应物中加入表面活性剂所制得样品待测。4 性能测试循环伏安测试、恒电流充放电测试在电化学工作站电池测试仪器上进行，充放电截止电压为0.5 V，充放电电流密度为505000 mA/g。交流阻抗测试(EIS)在电化学工作站上进行，交流电压为5mV，频率1-100000 Hz。样品的物相表征采用X射线衍射仪，样品的表面形貌采用扫描电镜等进行观察。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告5 进度安排1月12日 3月10日 文献查阅及开题报告撰写3月11日 4月23日 水热制备CoS及其表征4月24日 中期检查4月25日 5月20日 电容性能研究5月21日 6月09日 撰写毕业论文 6月16日 答辩