VS2@石墨烯核壳纤维的制备及其在水系锌离子电池中的应用开题报告

1. 研究目的与意义

由于能源危机和环境污染导致新型能源的日益发展，能源装置的不断研究越来越受到世界各国的重视^[1-3]。在过去的几十年中，锂离子电池被广泛地探索和应用到各个领域，因为它们比其他二次电池提供更高的能量密度^[4,5]。然而，加工成本、复杂的安全问题、有限的锂资源以及一些环境问题，都给探索新的储能系统提出了紧迫的挑战^[6,7]。可充电水电池，如水性钠电池和水锌离子电池，由于成本效益和材料丰富而逐渐受到关注^[8-16]。由于锌资源的安全性、低成本、丰富的锌源以及利用二价阳离子来增加电荷储存功能，因此对水性锌离子电池感兴趣。然而，现有的水性锌离子电池远没有达到不断增长的能源消耗需求的卓越性能目标。很难找到适合锌离子（或电解质中的溶解护套）的可逆间断/脱热的正极材料，这限制了水性锌离子电池的发展^[16]。以前对正极材料的探索主要集中在二氧化锰（mno₂）和普鲁士蓝类似物上，然而，前者的速率性能较差，容量迅速消退，而后者和容量有限（约50ma.h/g）^[17-22]。研究表明，分层结构材料对水性锌离子电池的正极具有巨大的潜力。

在过去的几十年中，层状过渡金属二烃基化合物（tmds），如mos₂、ws₂和vs₂，由于其突出的特点（石墨烯状分层结构、直接能带隙和快速分子扩散）^[23-25]。这些特性使得tmds成为电池电极材料的潜在候选物。此外，由于层间距大、导电性高,此类材料具有使多价离子（zn² 、mg² 、al³ ）插入和取出的潜力。在所有的tmds中，vs₂是具有六边形系统的典型家族成员，其晶体结构与层间间距为5.76的始末层状晶体结构相似^[24,29]。两层硫层之间有一层金属层，形成一种夹层结构。在vs₂晶体结构中，每个v原子被6个s原子围绕排列，并与具有共价键的s原子连接。vs₂的层间间距如此之大，便于在电解质中插入/提出锂离子（0.69）、钠离子（1.02）、锌离子（0.74）或其溶解护套。

在此，vs₂纳米片通过易感热液反应进行合成，在电流密度为0.05ma.h/g时提供190.3ma.h/g的高容量，并作为水性锌离子电池的正极表现出长期循环的稳定性。通过一系列的测量，包括原位x射线衍射（xrd）、原位x射线光电子光谱（xps）、原位拉曼光谱，原位透射电子显微镜（tem），对此类vs₂电极的电化学反应机理进行了系统的探究。可以从各个方面观察到可逆的插入/提取的过程。原位tem和原位xrd的结果表明，vs₂的层间空间可以自行适应zn² 的插入，沿c轴膨胀（只有1.73%），沿a轴和b轴稍微收缩，这对实现延长水性锌离子电池的使用寿命起着关键性的作用。上述所有结论表明，vs₂是一种有前途的正极材料，对水性锌离子电池具有高容量和良好的循环稳定性。

2. 研究内容和预期目标

1.石墨烯纤维的制备。

2.vs2@石墨烯核壳纤维：采用水热法制备vs2@石墨烯核壳纤维，考查反应时间和反应物浓度对vs2形貌和沉积量的影响。

3.以vs2@石墨烯核壳纤维为正极，zn丝为负极构建水系锌离子电池，对其电化学性能进行表征。

3. 研究的方法与步骤

（1）氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯（go）的制备采用改进的hummers^[30]方法进行。具体步骤如下，将12 g石墨和6 g nano₃加入350 ml浓硫酸中，冰水浴冷却至0° c，待机械搅拌均匀后缓慢加入72 g kmno₄，加入速度以保持反应温度低于20°c为准，继续搅拌2 h后升温到35oc氧化6小时。缓慢添加550 ml去离子水稀释，然后升温至98 °c保温10 min，水浴冷却至室温，继续添加1600 ml去离子水稀释，搅拌下添加30 wt %双氧水，直到没有气泡产生为止。将所得亮黄色产物转移到离心管中在8000 rpm下进行离心，收集并合并沉淀物。使用10 %稀盐酸洗涤沉淀，继续离心，然后用无水乙醇洗涤3遍。最后在40℃真空烘箱中干燥24小时，得到棕黄色氧化石墨粉末。

（2）vs2@石墨烯核壳纤维的制备^[31]

4. 参考文献

[1] b. dunn, h. kamath, j.-m. tarascon, science 2011, 334, 928.

[2] d. larcher, j.-m. tarascon, nat. chem. 2015, 7, 19.

[3] p. yang, j.-m. tarascon, nat. mater. 2012, 11, 560.

5. 计划与进度安排

（1）第1周~第2周：查阅文献资料，撰写开题报告；

（2）第3周~第6周：设计实验步骤及工艺；

（3）第7周~第11周：完成相关实验；