过渡金属硫化物纳米材料

-1-大学生创新创业训练计划创新训练项目申请书项目名称过渡金属硫化物纳米材料的制备及其储电性能的研究负责人张晨学院化学与材料科学学院年级专业14级材料化学联系电话[phone]填表日期2016.04.11安徽师范大学教务处制-2-项目名称过渡金属硫化物纳米材料的制备及其储电性能的研究项目所属一级学科工科项目所属二级学科材料类项目等级（√）国家级（）省级（）校级项目类别（√）创新训练项目（）创业训练项目项目来源√□导师课题□自主选题□竞赛项目□其它来源项目实施时间起始时间：2016年06月完成时间：2018年06月项目简介(100字以内）过渡金属硫属化合物纳米材料由于其优异的物理化学性能，在光吸收、超级电容转换、光致发光等领域有极好的应用前景，特别是做为超级电容器的电极材料，激发了广大材料工作者的研究兴趣。未来的研究不仅要着眼于新材料的制备，而且还要关注于电极的设计与合成。申请人或申请团队姓名年级学号所在院系/专业联系电话E-mail主持人张晨141411140410414级材料化学[e-mail]成员张吴正知141411140410814级材料化学[e-mail]陈翰迪141411140400514级材料化学[e-mail]-3-指导教师第一指导教师姓名王秀华单位安徽师范大学化学与材料科学学院年龄43专业技术职务副教授主要成果在Nanoscale，JournalofMaterialsChemistryA，CrystEngComm.,JColloidInterfaceSci.等国际著名期刊上，在校工作期间以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文16篇。第二指导教师姓名单位年龄专业技术职务主要成果一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）项目组成员都是材料化学专业的学生，已经系统地学习了相关理论知识，掌握了相关的实验技能，并曾经跟着老师在实验室做过材料制备的相关实验，具备了完成这一课题的科研能力。项目成员已完成大学本科《无机化学》《分析化学》和《有机化学》课程，并且能很好的掌握这些基础理论知识对本项目的开展奠定了基本的化学知识；此外，项目组成员对无机化学老师在课堂上介绍的课题组所开展的纳米材料合成及其在超级电容器方面的应用很感兴趣，希望有机会能将所学的无机化学理论知识和掌握的实验技能应用到过渡金属硫化物纳米材料的制备过程中。项目组成员经过近两年的大学学习和锻炼，已经能够很好地适应大学的学习生活，并在过去的课程考试中都取得了较好的成绩。项目组成员也自学了有关超级电容器的相关内容，并且不怕艰苦富有耐心，对待科学研究工作一丝不苟，做好了未来刻苦钻研科学工作的准备。-4-二、项目方案具体内容包括：1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）2、项目研究目标及主要内容3、项目的创新点、特色和解决的关键技术4、研究方法与试验方案5、项目研究技术路线6、研究进度安排7、项目组成员分工8、项目可行性分析1、项目研究背景：能源是人类赖以生存和发展的基础。由于人们广泛地使用煤和石油等化石燃料，导致了温室效应及资源的匿乏等环境问题。能源的供给和需求之间的矛盾曰益突出。因此，为了实现人类社会的可持续发展，寻找能够替代传统能源的新型绿色能源迫在眉睫。在电化学储能领域，由于化学电源可以把化学能直接转化为电能，能量转化率高而受到人们广泛的关注，超级电容器、锂离子电池和燃料电池由于其在电动或混合动力车领域、电子脉冲领域和军事航天领域极为优异的发展潜能，成为被世界科学家研究最多的三种新型储能体系[1–3]。超级电容器具有很高的放电功率和电荷储存能力，填补了传统电容器和电池这两类储能元件之间的空白，满足了人类对新型绿色能源的需求。超级电容器以其高的功率密度、大容量、充放电性能好、大电流的电化学性能、使用寿命长、以及环保等特点，在通讯、电子、航空航天以及国防等领域得到广泛的应用。目前，超级电容器被广泛应用于移动通讯、工业领域、消费电子、电动汽车和国防科技等方面[4,5]。超级电容器主要由电极材料、电解质、隔膜和集流体等四部分组成，其性能主要受电极材料和所用电解池体系的影响，因此，寻找更为理想的电极体系和电极材料成为提高超级电容器性能的重要途径。寻找低电阻、能量密度高、环境友好并且具有较好可逆性和循环稳定性的电极材料一直是人们研究的重点。贵金属氧化物的水合物具-5-有很好的电容特性，是目前比较理想的超级电容器电极材料，但由于价格昂贵、有毒，限制了其规模化应用。过渡金属氧化物具有与二氧化钌相似的电化学性能，且储量丰富、价格低廉、环境友好，已经引起了广大科研工作者的关注[7-9]。采用整合电极可以充分发挥各整合材料的优势，使整合材料具有良好的导电性、敏感的电化学响应性、机械稳定性等特点[10-13]。从电化学表面能看，整合电极最明显的优点是，显著的降低了材料活性面的表面能。这将有效的减少电极与电解质溶液发生副反应，并有效地防止纳米材料之间的聚合，从而使材料表现出更高的稳定性。在所有整合电极的设计与合成中，最常见的是在导电基板上直接合成纳米阵列。该方法最大的优越性在于一步合成，方法简易，制备过程简单。而且制备的电极不需要进一步引入黏固剂、导电剂等辅助试剂。这些设计研究主要有：核-壳整合结构、纳米线/纳米泡沫电流收集器、柔性纸/纤维电极。在此类的设计中又以柔性整合电极的合成，表现出更吸引人的优越性[14，15]。本课题组拟在温和的液相反应体系中，可控合成过渡金属硫化物纳米超级电容材料，通过选择合适的反应前躯体、溶剂和形态控制剂，优化实验条件，实现对过渡金属硫化物纳米晶体的可控合成。并将过渡金属硫化物纳米材料用于微纳超级电容器件，考察过渡金属硫化物纳米材料的超级电容性质，研究和探索过渡金属硫化物纳米材料的形貌、组成、结构与超级电容性能之间的关系和规律。阐明其超级电容性能的发生机理，实现对材料超级电容功能的调控，为过渡金属硫化物纳米超级电容材料的制备及在超级电容器件中的应用提供理论基础。本项目的成功实施可提供一种简便有效的过渡金属硫化物纳米结构的制备方法，为过渡金属硫化物的可控合成及应用提供实验基础和理论积累，具有重要的理论意义和潜在的应用价值。主要参考文献：[1]M.I.Hossain,F.H.Alharbi,MaterialsTechnology2013,28,88-97.[2]Q.H.Wang,K.Kalantar-Zadeh,A.Kis,J.N.Coleman,M.S.Strano,NatureNanotechnology2012,7,699-712.[3]E.Morosan,D.Natelson,A.H.Nevidomskyy,Q.Si,AdvancedMaterials2012,24,4896-4923.[4]S.P.Gabuda,S.G.Kozlova,M.R.Ryzhikov,V.E.Fedorov,JournalofPhysicalChemistryC2012,-6-116,20651-20655.[5]N.Zibouche,A.Kuc,T.Heine,EuropeanPhysicalJournalB2012,85.[6]H.Pan,Y.-W.Zhang,JournalofPhysicalChemistryC2012,116,11752-11757.[7]V.V.Plashnitsa,F.Vietmeyer,N.Petchsang,P.Tongying,T.H.Kosel,M.Kuno,JournalofPhysicalChemistryLetters2012,3,1554-1558.[8]I.Popov,G.Seifert,D.Tomanek,PhysicalReviewLetters2012,108.[9]A.Ramasubramaniam,PhysicalReviewB2012,86.[10]H.Wang,L.Yu,Y.-H.Lee,Y.Shi,A.Hsu,M.L.Chin,L.-J.Li,M.Dubey,J.Kong,T.Palacios,NanoLetters2012,12,4674-4680.[11]K.S.Novoselov,D.Jiang,F.Schedin,T.J.Booth,V.V.Khotkevich,S.V.Morozov,A.K.Geim,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,2005,102,10451–10453.[12]J.W.Seo,Y.W.Jun,S.W.Park,H.Nah,T.Moon,B.Park,J.G.Kim,Y.J.KimandJ.Cheon,Angew.Chem.,Int.Ed.,2007,46,8828–8831.[13]Z.Y.Zeng,Z.Y.Yin,X.Huang,H.Li,Q.Y.He,G.Lu,F.BoeyandH.Zhang,Angew.Chem.,Int.Ed.,2011,50,11093–11097.[14]Y.Zhang,J.Ye,Y.Matsuhashi,Y.Iwasa,NanoLetters2012,12,1136-1140.[15]Y.Zhou,Z.Wang,P.Yang,X.Zu,L.Yang,X.Sun,F.Gao,ACSnano2012,6,9727-9736.2、研究目标：在液相中利用溶剂热、模板法、再沉淀法可控合成过渡金属硫化物纳米材料并将过渡金属硫化物纳米材料用于超级电容器器件。研究内容：①材料制备研究在液相体系中过渡金属硫化物纳米晶体的制备、影响因素及形成机理。在化学液相合成的基础上，利用溶剂热法、模板法、再沉淀法合成多种过渡金属硫化物纳米储电材料。②材料表征对所合成的过渡金属硫化物纳米结构，用元素分析、谱学等方法分析测定成分-7-和价态，用透射电子显微镜观察样品的形貌和尺寸，用X射线衍射和电子衍射技术研究样品的物相结构和微结构，用高分辨电子显微镜研究合成纳米材料的高分辨像和微结构。用俄歇电子能谱等研究产物的电子能级、价态和成键情况研究电子结构以及纳米晶体微结构等。③超级电容性能应用研究把所制得的二维过渡金属硫化物纳米材料整合电极应用于微纳超级电容器件，研究所制备的二维过渡金属硫化物半导体的超级电容性能。考察其超级电容性能。通过循环曲线、充放电曲线以及电化学阻抗谱等表征手段研究电极的存储电容量和充放电稳定性。3、项目的创新点、特色和解决的关键技术创新点、特色：①简单有效的过渡金属硫化物纳米晶体的组装模式。在没有复杂助剂参与的情况下，实现过渡金属硫化物纳米材料的液相可控合成。②将材料制备与性能相统一。通过对过渡金属硫化物纳米材料的储电导性能的探讨，构筑微纳米储电器件，实现其储电性能可控调控。拟解决的关键技术：①控制合成不同结构、形貌、组成的过渡金属硫化物纳米材料是本研究的前题和关键。②研究和探索过渡金属硫化物纳米材料的形貌、组成、结构与储电性能之间的关系和规律是本研究的难点之一，最终实现微纳储电器件的储电性能的调控也是本课题的关键。4、研究方法与实验方案：①样品合成在制备过程中探索溶剂、浓度、温度以及时间对合成条件的影响，选择合适的条件，设计合理的反应路线，制备过渡金属硫化物纳米材料。②产物的成分和结构分析与微结构分析对所合成的过渡金属硫化物纳米结构，用元素分析、谱学等方法分析测定成分和价态，用透射电子显微镜观察样品的形貌和尺寸，用X射线衍射和电子衍射技-8-术研究样品的物相结构和微结构，用高分辨电子显微镜研究合成纳米材料的高分辨像和微结构。③超期电容器性能研究在成分、结构分析和结构研究的基础上，通过改变反应条件，探索液相可控合成过渡金属硫化物纳米材料的机理和规律。研究所制备的过渡金属硫化物纳米材料。④应用研究把所制得的过渡金属硫化物纳米材料。应用于微纳储电器件，通过改变过渡金属硫化物纳米材料的大