离子交换法合成金属硫化物纳米阵列及其电化学储能应用

发展新型高性能储能材料已成为人类社会可持续发展的重要战略选择。 近年来,金属硫化物作为新型的光电及电化学储能材料体系正受到越来越多的关注,因其优异的光电效率、良好的反应可逆性及高能量/功率密度特性而在太阳能电池,锂离子电池和超级电容器等领域具有广阔的应用前景。然而传统的金属硫化物合成方法(固相合成法、硫化氢蒸汽活化法等)大多只适用于粉末体系,且制备条件苛刻,工艺不环保,污染严重,同时产物率低下。与传统纳米粉末材料相比,研究者更倾向于将金属硫化物直接生长在集流体上构建纳米阵列结构。让纳米阵列与储能系统集流体之间形成直接紧密接触,能有效降低载流子的传输内阻,加快电解液中离子扩散,从而提高储能体系的能量密度和功率密度以及循环性能。

迄今报道的金属硫化物合成方法主要有湿化学反应法,水热反应法和溶剂热反应法等。但这些方法大多数适用于合成粉末材料,并且需要有毒性的H2S作为硫源以及有机金属作为前驱体。上述方法合成的金属硫化物的放电容量偏低,且在大电流工作条件下能量/功率密度衰减较快,不能达到应用要求。近期,新加坡南洋理工大学物理与应用物理系的范红金副教授及其研究团队采用离子交换法,在相应金属氧化物前驱纳米结构上进行S2-与O2-直接交换制备了与集流体紧密接触的金属硫化物纳米阵列。该方法基于化学溶解度原理:溶解度值越小,物质越稳定。基于此方法,范教授团队成功实现了多种纳米结构金属氧化物向相应金属硫化物的转换,包括一维纳米线,二位纳米墙以及三维树枝状结构。经过一系列的性能测试,该方法得到的硫化物纳米阵列作为超级电容器的正极材料性能比粉末硫化物有明显提高。