鄭 璐,周 鵬,文曉剛
(四川大學材料科學與工程學院,四川 成都 610065)
由于化石能源的快速消耗和由此帶來的環(huán)境問題,亟需開發(fā)清潔能源和儲能系統(tǒng)來進行解決。超級電容器相比電池有著高功率密度和循環(huán)壽命,它填補了電容器與電池之間的空白[1],是非常有潛力的儲能設備。過渡金屬硫化物MX2(M表示過渡金屬離子;X表示硫族元素)被廣泛用于超級電容器的電極材料,如CoS2[2],WS2[3],MoSe2[4]和WSe2[5]等。黃鐵礦FeS2是常見的MX2材料,可來自天然礦物,是一種窄禁帶寬度(0.95 eV)半導體材料,具有高的光吸收系數(shù)(α=6×105cm-1)和良好的電化學性能,因此FeS2被廣泛的應用于光催化劑、光電電容器、鈉離子電池和鋰離子電池的陰極[6-11]。近幾年來,也有FeS2用于超級電容器的研究,但目前的結果顯示FeS2的導電性較差(室溫下為0.03~333 S·cm-1)[12],具有較大的體積效應,同時在充放電過程中會反應產(chǎn)生金屬鐵納米顆粒和絕緣的多硫化物,隨著循環(huán)的進行,金屬顆粒會團聚,多硫化物也會溶解于電解液,使材料的循環(huán)性能受到很大影響[13]。減小硫化亞鐵的粒徑、進行元素摻雜和引入導電網(wǎng)絡有利于提高材料的導電性,緩解體積效應,從而改善其電化學性能。
由于CoS2與FeS2具有相似的黃鐵礦結構,Co2+離子較容易摻雜到FeS2中形成完美的固溶體[14]。本文采用簡單的一步水熱法,成功制備出一種新型的Co摻雜FeS2/碳納米管(CNTs)復合納米材料,與碳納米管復合后FeS2納米結構的分散性得到了很好改善,CNTs與FeS2結合在一起,生成了類似三維網(wǎng)狀的納米結構。研究表明,復合納米材料電化學性能得到了較大改善,比容量為257.1 F·g-1,循環(huán)500次后比容量保持率為84.2%,與純的FeS2相比比容量和循環(huán)保持率的提升接近1倍。
將0.8 g Fe(NO3)3·9H2O與0.166 g Co(C2H3O2)2·4H2O溶解于30 mL的去離子水中,加入30 mg的CNTs,超聲60 min。同時將TU與TAA按照摩爾比為1∶1的量溶解于30 mL水中,攪拌直至溶液澄清。將上述兩種溶液混合,攪拌5 h后轉移至100 mL的聚四氟乙烯反應釜中,于180 ℃下反應12 h。最后,將得到的產(chǎn)物在去離子水和乙醇中分別離心洗滌幾次,再放入50 ℃的干燥箱中干燥,獲得樣品記為Co-FeS2/CNTs。同時,采用相同制備過程,在不添加Co(C2H3O2)2·4H2O和CNTs的條件下制得了FeS2用于對比研究。
樣品的晶體組成及晶相通過D/max-γB型X射線衍射儀(XRD,Kα射線,5°/min掃描速率,掃描的2θ的角度范圍為20°~80°)進行測定。采用卡爾蔡司的GeminiSEM 500掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的尺寸及形貌。
電化學性能測試中循環(huán)伏安曲線(CV)和恒流充放電(GCD)使用上海辰華CHI660電化學工作站,循環(huán)壽命測試使用藍電CT2001A分別進行測試。采用三電極測試方法進行測試。對電極采用鉑片,參比電極采用Hg/HgO 電極,制得的材料用作工作電極。CV和GCD測試的電壓區(qū)間是-0.3~-1 V,電解質是3 M KOH。工作電極的制備是將活性物質,導電炭黑,粘結劑PTFE以8∶1∶1的質量比混合后,涂在1 cm×1 cm的泡沫鎳上,在干燥箱中50 ℃干燥12 h,然后進行測試。
X射線粉末衍射(XRD)被用來測試樣品的晶體的結構。圖1是制得FeS2和Co-FeS2/CNTs材料的XRD圖譜。在兩個樣品的XRD譜中,均在在2Θ=28.46°,32.98°,37.00°,40.68°,47.33°,56.15°,58.89°,61.55°,64.14°,76.42°,78.78°,81.13°,83.46°有衍射峰,分別對應著黃銅礦立方FeS2(空間群:Pa-3)的(111),(200),(210),(211),(220),(311),(222),(023),(321),(331),(420),(421),(332)晶面(JCPDS卡片號:71-0053)。Co-FeS2/CNTs 復合納米材料中沒有其它的衍射峰出現(xiàn),十分純凈,2θ=25.5°是CNTs的信號峰。相反,在對比的未摻雜FeS2中有一些雜質峰,其中,2θ=25.9°,33.24°,37.25°,53.26°是白鐵礦型FeS2(JCPDS No.88-2302)的峰。這說明Co摻雜有利于黃鐵礦型FeS2相的形成,可能是由于CoS2與FeS2都有相似的黃鐵礦結構,有利于結構的純化?;赬RD衍射譜,根據(jù)Scherrer方程計算得到Co-FeS2/CNTs與FeS2同為立方結構,晶胞參數(shù)分別為a=b=c=5.428 ?,a=b=c=5.400 ?,摻Co后晶胞有所增大,是由于Co原子半徑大于Fe原子半徑,表明Co成功地摻入了FeS2立方晶格。
圖1 FeS2與Co-FeS2/CNTs的XRD圖
為了進一步分析Co 摻雜和CNTs的加入復合材料形貌的影響,用SEM對材料進行了觀察,結果如圖2所示。圖2a、2b是純的FeS2的SEM圖,可以看到純的FeS2是由小的納米顆粒聚集而成的大顆粒,整體上看有聚集成球形的趨勢,大顆粒的整體尺寸是微米級的,但其中小的納米顆粒平均尺寸為80 nm左右。圖2c、2d是Co-FeS2/CNTs的形貌結構圖??梢钥吹脚c純FeS2相比材料的形貌發(fā)生了很大的變化。材料在CNTs為支架的作用下變得非常分散。CNTs作為一個骨架將整個結構架起,骨架之間有許多的小孔,使整個結構顯得很蓬松。這種導電網(wǎng)狀結構為材料提供了良好的支撐,有利于電極材料與電介質的接觸,以及提升在充放電過程中電化學反應速率。后面的測試結果表明Co-FeS2/CNTs的比容量,倍率性能和循環(huán)壽命均遠高于FeS2,這得益于良好的形貌結構。
圖2 純的FeS2(a),(b);Co-FeS2/CNTs復合材料的SEM圖(c),(d)
為了進一步研究制得材料在超級電容器應用中的電化學性能,以該材料為工作電極形成超級電容器,進行電化學性能測試。采用循環(huán)伏安法和恒電流充放電法研究了FeS2和Co-FeS2/CNTs電極在三電極體系中的電化學性能。圖3a顯示了FeS2和Co-FeS2/CNTs兩個電極的恒電流充放電曲線,可以看出Co-FeS2/CNTs的放電時間明顯比FeS2更長,由(1)中公式可得材料的比容量更大。如圖3b所示,在-1~-0.3 V電壓范圍,兩個電極CV曲線的形狀相似,且均與理想的電雙層電容器矩形形狀有明顯的區(qū)別,表現(xiàn)為贗電容電容器特征。但在相同的掃描速率下,Co-FeS2/CNTs的電流密度明顯更大,表明復合電極材料的比容量更大,與圖3a GCD圖得出的Co-FeS2/CNTs的比容量更大的結果一致。
樣品的比容量采用下列方程計算:
(1)
Cm是比容量,F(xiàn)·g-1;I是電流密度;Δt是放電時間;ΔV是電極材料的電壓區(qū)間。
計算結果表明Co-FeS2/CNTs和FeS2電極材料的比容量分別為257.1 F·g-1和135.7 F·g-1,Co-FeS2/CNTs電極材料的比容量提升了近1倍左右。這種比容量大幅的提升的是由于Co元素和CNTs的摻雜的共同作用。一是碳納米管的加入,可有效防止FeS2納米顆粒的聚集,分散性大為改善,平均顆粒尺寸明顯變小,這一方面增加了電極材料與電解質溶液接觸的比表面積,同時縮短了電子的傳輸路徑;二是具有良好導電能力的CNTs網(wǎng)絡的存在進一步改善了電極材料的導電性能,因此復合納米材料電極的比電容顯著提升。圖3c顯示了在不同的外加電流密度下,Co-FeS2/CNTs電極的充放電行為??梢钥闯觯诓煌娏髅芏认?,具有較小的曲率,這是由于循環(huán)過程中發(fā)生了氧化還原反應,使其表現(xiàn)出一種贗電容行為[15]。圖3d研究了Co-FeS2/CNTs在10~100 mV·s-1不同的掃描速率下的CV曲線。隨著掃描速率的增加,電流響應增加,表明界面法拉第氧化還原反應的動力學和電子/離子傳輸?shù)乃俣仍陔娀瘜W系統(tǒng)中足夠快[16]。圖3e是Co-FeS2/CNTs電極在電流密度1、2、5、10 A時對應的比容量變化圖,可以看出在任何電流密度下,Co-FeS2/CNTs的比容量均比FeS2要高。
圖3 FeS2和Co-FeS2/CNTs的GCD曲線(1 A·g-1)(a);FeS2和Co-FeS2/CNTs的CV曲線(20 mV·s-1)(b);Co-FeS2/CNTs在不同電流密度下的GCD曲線(c);Co-FeS2/CNTs在不同掃描速率下的CV曲線(d);FeS2和Co-FeS2/CNTs在不同電流密度下的比容量(e);FeS2和Co-FeS2/CNTs的循環(huán)循環(huán)壽命(1 A·g-1)(f)
說明碳納米管和Co元素的摻入不僅提高了材料的比容量,也改善了材料的倍率性能。Co-FeS2/CNTs在1、2、5、10 A時對應的比容量可達257.1 F·g-1、205.7 F·g-1、142.8 F·g-1、100 F·g-1。在電流密度為1 A·g-1時的比容量比許多過渡金屬硫化物材料如CuS/CNT[17]、C/MoS2[18]、CoS2/RGO[19]、SnS-carbon[20]的比容量更大。圖3f是FeS2和Co-FeS2/CNTs電極材料的循環(huán)壽命圖。Co-FeS2/CNTs電極材料在開始循環(huán)的時候比容量有所增加,這說明在充放電過程中可能存在活性物質的活化過程[21]。Co-FeS2/CNTs電極材料的循環(huán)壽命相對于FeS2有顯著的提高。Co-FeS2/CNTs電極材料循環(huán)500圈后的容量保持率為84.2%,而FeS2電極材料循環(huán)500 r后的容量保持率只有46.8%。由于在導電良好的CNTs網(wǎng)絡中,分散的FeS2具有更小的顆粒尺寸,可以大大緩解FeS2充放電循環(huán)過程中體積效應,從而改善了其循環(huán)性能。
采用簡便易行的水熱法一步合成了Co-FeS2/CNTs。CNTs和Co元素的摻入改善了FeS2納米顆粒的分散性,同時提高了材料的比表面積、導電性,因而極大地改善了材料的電化學性能。在1 A·g-1的電流密度下,Co-FeS2/CNTs復合納米材料的比容量為257.1 F·g-1,遠高于FeS2的135.7 F·g-1。由于Co-FeS2/CNTs制備成本低、工藝簡便、比容量大、循環(huán)壽命良好,是非常有潛力的超級電容器電極材料。