硒化钴纳米颗粒的设计构筑及其储钾性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着全球能源与环境问题日益严峻，清洁能源的开发和利用具有重要的意义。相比较于其他清洁能源，如太阳能、风能、潮汐能等，电能具有稳定可靠、传输高效、成本低廉等优势。发展储能高效、环境友好的储能装置显得尤为重要。锂离子电池因能量密度高、循环寿命长、安全性好等优势，被认为是最有效的能量储存系统，已被广泛应用于各种便携式电子设备。然而，随着未来锂离子电池在电动汽车和智能电网等领域的大规模应用，有限的锂资源将无法满足日益增长的需求。作为锂离子电池的替代品，钠离子电池和钾离子电池具有储量丰富的金属资源、与锂离子电池相似的电化学行为，受到科学家们广泛的关注。与钠离子电池相比，钾离子电池具有更低的氧化还原电位，可以获得更高的工作电压。并且，石墨仅可以储存非常有限的钠，但能与钾形成kc₈化合物实现钾离子的可逆脱嵌，提供279 mah/g的理论比容量。此外，钾基电解质具有比钠基电解质更高的导电性，有利于电池性能的提升。鉴于这些优势，钾离子电池备受研究者的青睐。然而，钾离子半径很大，不仅脱嵌过程十分缓慢，而且产生的巨大的体积膨胀会使电极材料结构崩塌，导致电池循环寿命短，倍率性能差。因此，研究和开发结构稳定、能快速可逆脱嵌钾离子、反应活性位点多的电极材料，是推动钾离子电池快速发展和广泛应用的关键。

过渡金属硫族化合物具有理论容量高、成本低、原料来源广泛、绿色无毒等优点，被人们认为是一种极具应用前景的电极材料，受到研究者们的广泛关注。然而，作为一种转化型反应电极材料，过渡金属硫族化合物存在离子嵌入脱出过程中材料体积膨胀引起的结构坍塌和固态电解质界面破裂等问题，循环稳定性较差。同时，常规过渡金属硫族化合物材料导电性较差，离子向材料内部迁移的过程十分缓慢，故倍率性能也函待改善。目前对过渡金属硫族化合物的改性修饰主要集中在材料纳米化、碳复合、构建中空多孔结构等方面。

纳米材料具有远大于传统材料的比表面积，能够使电解质与电极材料的接触更充分，提供更多的电化学活性位点，缩短离子传导路径，加快动力学反应，提高电池的容量和倍率性能。虽然有着神奇的量子效应，但纳米材料过大的比表面积会使材料循环时产生更多的固态电解质界面，导致较低的首圈库伦效率，同时较低的电导率以及团聚效应也限制了其在储能领域的应用和发展。将活性纳米颗粒均匀嵌入到中空多孔碳框架中能够有效解决这个问题。在此设计策略中，导电高分子层包覆除了自身能后续碳化为导电碳壳外，最重要的作用是在热解过程中通过壳限域柯肯达尔效应（合成过程中不同的离子扩散方向和速度不同）使包覆形成的核壳结构前驱体转化为中空结构。异原子掺杂（如氮、磷、硫）能调节碳材料的电子云密度与结构，引入表面缺陷，增强碳框架导电性和反应活性。碳框架可以抑制纳米颗粒间的团聚，促使电子在颗粒间快速迁移，中空多孔结构能提供更短的离子传输通道，有效缓解循环时材料的体积膨胀，保持电极整体的稳定性，协同提升材料的循环和倍率性能。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

① 拟通过搅拌沉淀法合成钴基金属有机框架前驱体，结合后期导电高分子包覆、原位限域热解硒化手段，设计构筑硒化钴纳米颗粒@氮掺杂碳复合材料，探究该材料的化学组成、形貌、结构等，并研究该材料结构的形成机理；

② 基于所制备的硒化钴纳米颗粒@氮掺杂碳复合材料，组装钾离子电池，利用循环伏安法、恒流充放电等电化学测试方法系统研究该材料的充放电比容量、倍率性能、循环稳定性等电化学性能；

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究方法、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－6周：按照设计方案，以钴基金属有机框架为前驱体，结合导电高分子包覆及原位限域热解硒化技术，制备硒化钴纳米颗粒@氮掺杂碳复合材料。通过改变实验参数和条件，调控硒化钴纳米颗粒的形貌和结构，进而获得中空多孔的理想目标产物；

第7－8周：采用xrd、sem、tem等测试技术对材料的物相、显微结构进行测试，分析此材料结构的形成机理；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] zhou l m, xiong f y, mail q, et al. nickel-iron bimetallic diselenides with enhanced kinetics forhigh-capacity and long-life magnesium batteries[j]. nano energy, 2018, 54:360-366.

[2] wu n, yin y x, guo y g,et al. size-dependent electrochemical magnesium storage performance of spinellithium titanate[j]. chemistry: an asian journal, 2014, 9: 2099-2102.

[3] shterenberg i, salama m,aurbach d, et al. the challenge of developing rechargeable magnesiumbatteries[j]. materials research society, 2014, 39: 453-460.