由于不可再生矿物能源的日益衰竭、环境污染的日益严重，寻找和发展清洁高效可再生的储能器件成为当前储能领域研究的热点。其中，超级电容器由于具有高的功率密度、良好的倍率性能、较长的循环寿命和环境友好等优点，被认为是最具有应用价值的电化学储能器件之一。而在超级电容器的组成部分中，电极材料对电容器的电化学性能起到决定性的作用，因此制备环境友好、经济安全和电化学性能良好的高性能电极材料是提高超级电容器性能的重要手段。但是，采用粉体材料制备超级电容器电极时需要加入导电剂和粘合剂，会导致电极导电性降低、活性电极材料局部分散不均匀及活性物质不能与电解液充分接触等问题，这些问题极大地影响了超级电容器的电化学性能。针对以上问题，本论文设计了将不同形貌结构的过渡金属硫化物基电极材料直接生长在集流体表面，优化超级电容器的电化学性能。首先，以二/三元金属硫化物为研究对象，开发新的合成路线和形貌结构，设计合成高性能的硫化物电极材料；再利用硫化物优异的特性，制备了硫化物与氧化物的复合异质结构电极材料，这种异质结构发挥了两者间的协同作用，表现出优异的电化学性能。除了本论文所介绍的新型电极材料在超级电容器领域的贡献外，还希望文中所述的合成方法能为其它电极材料的制备和性能提升提供新的思路并应用在其他领域。具体主要研究内容如下：
在不添加镍源、模板、表面活性剂的情况下，利用简单的热处理和水热法，在泡沫镍表面直接生长了三维树状 NiS纳米片阵列结构，研究了其结构特征和形成机理。将这种特殊的树状 NiS纳米片阵列结构作为超级电容器电极材料进行了电化学测试，结果表明，该电极材料表现出较高的电容值(465.9 F g-1)和优异的循环稳定性(7000次循环后比电容值剩余101.7％)，这可能是因为 NiS纳米片加快了电解质离子的快速氧化还原反应过程。这种在不添加镍源的情况下，在泡沫镍表面直接原位生长独特形貌结构的 NiS材料的方法，为改善其他电极材料的电化学性能提供一种新的思路。
通过简单的方法在泡沫镍表面生成了交叉生长的粗糙CuS纳米片阵列结构。发现在泡沫镍基底表面直接生长CuS纳米片的方法可以有效的抑制CuS纳米片的团聚。制备过程为：首先采用置换反应，以CuCl2为铜源在泡沫镍表面生长出Cu立方块单质层；然后通过水热反应以硫粉作为硫源在泡沫镍表面生成了交叉生长的粗糙CuS纳米片阵列结构。所谓粗糙的CuS纳米片是在尺寸较大的CuS纳米片两侧垂直生长许多尺寸更小的 CuS纳米片，具有较高的比表面积。这种独特的结构优化了电化学过程中电子离子的转移路径，同时其较高的比表面积增加了电化学活性位点。使CuS作为电极材料具有高达1124 F g-1的比电容值、良好的倍率性能和优异的循环稳定性(循环2000次后剩余原比电容值的90.7%)。这些优异的电化学性能使这种交叉生长的粗糙 CuS纳米片材料作为电极材料在超级电容器领域有很好的应用前景。
利用水热法，在泡沫镍表面成功生成了花状CuCo2S4纳米片阵列结构。构成这种新型的花状CuCo2S4的纳米片是由无数窄小的纳米片组成，非常有利于电解液与活性物质的接触并且为电子和离子的转移提供有效路径；同时直接生长在泡沫镍表面的这种纳米片阵列结构作为超级电容器电极材料可以使 CuCo2S4纳米片与泡沫镍之间有很好的连接情况和导电性。电化学测试表明，该电极材料具有较高比电容值(在5 mA cm-2下的比电容值为908.9 F g-1)，良好的倍率性能(从5 mA cm-2到30 mA cm-2有70.0%的比电容值剩余)和优异的循环稳定性(在30 mA cm-2下循环2000次后剩余原比电容值的91.1%)。为了进一步测试电极材料的性能，将CuCo2S4作为正极材料，活性炭作为负极材料组装成非对称电容器，发现其具有较高的能量密度和优异的循环稳定性。
通过水热法和热处理，成功在泡沫镍表面生成了分级的 NiCo2S4@NiMoO4核壳纳米管阵列结构复合物。这种材料由NiCo2S4纳米管内核和交叉的NiMoO4纳米片外壳层组成。与单独的NiCo2S4纳米管相比，该NiCo2S4@NiMoO4复合物具有高达2006 F g-1比容量和更好的循环稳定性，这可能是因为这种独特的NiCo2S4@NiMoO4核壳纳米管阵列结构充分利用了NiCo2S4和NiMoO4之间的协同作用、增加了电化学活性位点以及优化了在电化学反应过程中电子和离子的转移路径。采用 NiCo2S4@NiMoO4复合材料、活性炭物质分别作为正极材料、负极材料组装成的非对称电容器，表现出较高的能量密度。这些优异的电化学性能证明了 NiCo2S4@NiMoO4核壳纳米管材料在超级电容器应用领域是一种非常有前景的电极材料。
关键词：超级电容器 泡沫镍 过渡金属硫化物 纳米片
