含硫氨基酸基金属-有机框架直接衍生的氮、硫共掺杂碳基纳米复合材料及其锂/钠存储性能研究

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具有转换反应机制的负极材料如过渡金属氧化物、硫化物等因其高的理论比容量,而成为锂/钠离子电池方面的关注的焦点。然而,其充放电过程中较大的体积变化及其低的电子电导率,导致其循环性能和倍率性能不足。碳材料修饰则被证明是解决这些问题的有效手段。基于此,本论文以含硫氨基酸为配体构建的金属-有机框架(MOFs)为前驱体,通过一步碳化得到氮、硫共掺杂碳基复合材料,并研究其锂/钠存储性能。论文的主要内容如下:(1)L-胱氨酸基MOFs直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料的制备及储钠性能研究。本章采用一种高效环保的制备方法合成系列碳包覆过渡金属硫化物材料。我们选用L-胱氨酸作为有机配体,分别与不同过渡金属离子(Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+)在室温下络合,得到金属-胱氨酸络合物(M-cys)。M-cys经过一步碳化成功制备出系列氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料。通过该工艺制备的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料,微观形貌均为核壳结构,其中核为1020 nm的硫化物颗粒,壳为无定型碳。我们以FeS@氮、硫共掺杂碳为例,考察了其作为钠离子电池负极的电化学性能,研究了不同热处理温度对其电化学性能的影响。FeS@N,S-C-600具有更稳定的循环性能,经过200圈(电流密度为0.2 A g-1)的循环后,充放电比容量为689.7/701.8 mAh g-1,库伦效率为99.4%,且倍率性能出色。(2)L-蛋氨酸基MOFs直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物材料的制备及储钠性能研究。本章选用L-蛋氨酸作为有机配体,分别与Co2+、Ni2+和Cu2+络合,得到金属-蛋氨酸络合物(M-met)。M-met经过一步碳化成功制备出系列氮、硫共掺杂、碳包覆过渡金属硫化物复合材料。该方法制备的复合材料具有明显的片状结构,且硫化物纳米颗粒外包覆有清晰的无定型碳。我们以Co-met衍生的Co9S8@氮、硫共掺杂碳为例,考察了其作为钠离子电池负极的电化学性能,并研究了不同热处理温度对其电化学性能的影响。结果表明Co9S8@N,S-C-600具有优异的循环稳定性,在经过150圈循环后,充放电比容量达到594.2/614.9 mAh g-1,且倍率性能较为出色。(3)锰-蛋氨酸框架直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆MnO/MnS复合材料的合成及储锂性能研究。本章选用L-蛋氨酸作为有机配体,与Mn2+进行络合,得到锰-蛋氨酸络合物(Mn-met),然后一步热处理得到氮、硫共掺杂碳包覆MnO/MnS复合材料,并将其用作锂离子电池负极材料。研究结果表明,热处理温度是影响材料物相、结构和电化学性能的决定因素。其中,MnO/MnS@N,S-C-700具有最为优异的电化学性能,在经过500圈的循环后,放电比容量保持在578.2 mAh g-1,且倍率性能出色。
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