石墨烯改性的CoS、SnS2纳米材料在绿色能源电池中的应用

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能源紧缺与经济社会发展的矛盾日益突出,传统能源引发的各种环境问题推动了人们对绿色能源的研究与发展。其中,锂离子电池应用非常广泛,太阳能电池开发潜力巨大,因而两种清洁能源成为关注热点。本文主要介绍氧化石墨烯对过渡金属硫化物纳米材料的改性,包括材料的制备、表征及其在绿色能源电池中的应用。  首先,本文介绍了石墨烯、CoS、SnS2纳米材料的研究现状及特性,及其分别在染料敏化太阳能电池和锂离子电池中的应用。  锂离子电池的传统负极材料石墨的比电容量不足以满足人们尤其是未来产业的需求,所以人们寻找新的循环特性好、比电容量高的负极材料。目前,人们主要研究合金类、嵌入类以及转换类材料。单层碳原子组成的石墨烯材料由于具有极好的导电性而成为研究热点。与此同时,在理论上SnS2的能促进锂离子的嵌入,而且能够承受较大的体积改变,有较强的储电性能,其理论容量较高。但是硫化锡材料在电化学反应过程中体积变化量过大,导致循环特性迅速下降。通常,可以通过调控纳米材料的形貌或与碳材料的掺杂来改善其导电性和稳定性。所以本文,用石墨烯将SnS2进行掺杂改性,通过溶剂热法制备石墨烯和硫化锡的混合材料,并进行充放电测试。  太阳能电池能利用洁净的太阳能提供电能,但是其生产生本高,转换效率低。所以人们研究开发新型太阳能电池以取代传统硅电池,其中染料敏化太阳能电池制造简单、转换效率可观,因而成为研究热点。然而,传统的铂金属对电极材料昂贵,效率不足以满足使用要求。人们不断寻找能替代铂电极的材料,包括金属硫化物、碳化物、氮化物等。近年来,新兴的石墨烯为对电极的研究提供了新思路,二氧化钛纳米晶可以很好地固定在石墨烯薄片上,形成导电性优异的石墨烯桥,因而可加速从二氧化钛导带中转移出电子,减少电荷的复合。此外,石墨烯的透光性很好,还有催化I2还原成I-的能力,因而可用作染料敏化太阳能电池的对电极。所以,本文使用溶剂热法制备CoS/RGO复合材料,用作染料敏化太阳能电池的对电极材料进行光电性能测试。  然后,本文采用改良的Hummers法制备了氧化石墨烯,将氧化石墨烯与反应原料(不同硫源)混合,用溶剂热法分别合成一系列的RGO/CoS、RGO/SnS2复合材料,在加热水热反应釜过程中加入起到还原作用的抗坏血酸,得到石墨烯的复合材料。  第三,本文对所制备的材料样品进行XRD、SEM、TEM表征。氧化石墨烯的XRD图显示其衍射峰与标准谱图衍射峰完全吻合,没有出现其它杂峰,说明材料A为纯相氧化石墨烯晶体。RGO/CoS样品的SEM和TEM图,均显示硫化钴均匀地生长在石墨烯上,形成复合材料。RGO/SnS2材料的SEM和TEM图,也显示硫化钴均匀地生长在石墨烯上,形成复合材料。  将RGO/CoS复合材料样品代替染料敏化太阳能电池中的金属对电极(铂),测得I-V曲线图,然后讨论不同硫源合成的RGO/CoS的光电性能变化。将RGO/SnS2材料样品代替锂离子电池中的负极材料(石墨),测得充放电性能。
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