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過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用

文檔作者：李敏馮萬忠魏軒文檔來源：通化師范學(xué)院		更新日期： 2026年05月17日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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技術(shù)應(yīng)用與研究
一、引言
隨著人口的增長，化石燃料的快速消耗，給能源安
全敲響了警鐘，所以迫切需要發(fā)展一種高效、綠色、清
潔、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的能源，來取代傳統(tǒng)能源。超級電容
器由于具有獨(dú)特的環(huán)保特性、充電時(shí)間短、功率密度
高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有前途的儲能設(shè)備。基于
電荷存儲機(jī)制 的不同，超級電容器分為雙電層電容器
（ EDLCs， Electric Double Layer Capacitors）、法拉第贗
電容器 （PCs， Faradic Pseudocapacitors）、混合電容器
（HCs）。
PCs是通過電極材料表面或其內(nèi)部進(jìn)行的快速可逆
的氧化還原反應(yīng)來儲能的。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，PCs的
比電容和能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的EDLCs。所以大量的研
究人員投入到對PCs電極材料的研究，其中過渡金屬化
合物是研究最多的材料。過渡金屬氧化物（TMOs），即
RuO2和MnO2，是最早提出的具有贗電容電荷存儲機(jī)制的
材料。但TMOs由于電容有限和導(dǎo)電性差的問題，即使擁
有更好的能量密度，也無法商業(yè)化，除非合理地設(shè)計(jì)不
同的產(chǎn)品。
在所有被開發(fā)和討論的PCs電容材料中，過渡金屬
硫族化合物被證明具有更高的氧化還原活性、循環(huán)穩(wěn)定
性、催化活性、導(dǎo)電性、更密集的活性位點(diǎn)。所以在本
文中，對鎳、鈷、鐵、鉬過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料
作為超級電容器先進(jìn)電極材料的最新研究進(jìn)展做簡要的
綜述。
二、硫化鎳
近年來，對于硫化鎳基電極材料的研究主要集中在
超級電容器的應(yīng)用上。由于其獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)，
可以在電極表面上提供優(yōu)良的離子輸送通道。例如，
Chen等首先用2-甲基咪唑合成作為前體的α-Ni（OH）2納
米片陣列，然后對其進(jìn)行水熱硫化得到Ni3S2納米片簇。
所得的Ni3S2納米片陣列表現(xiàn)出優(yōu)異的超電容性能，即使
在50Ag–1的高電流密度下經(jīng)過2，0000次循環(huán)，仍然保持
1，000Fg–1的超高電容。
Chen等人通過簡單的一鍋水熱法合成了一種新型的
2D/3D NiS/Ni3S4復(fù)合材料，在 1Ag-1電流密度，1000次充
放電循環(huán)后表現(xiàn)出1796 F g-1的高比電容和 80.5% 的良好
容量保持率。
Li等人以NiCl2?6H2O（NCH）作為鎳源和硫代氨基
脲（TSC）作為硫源通過簡單的水熱法，成功地合成了
具有介孔中空硫化鎳（NiS）微球。以此中空NiS微球用
作超級電容器的電極材料，在1Ag-1的電流密度下，具有
1848.0F g-1的高比電容，即使電流密度增加到10Ag-1，仍
具有約74.3％的容量保持率。
三、硫化鈷
硫化鈷（CoS2）具有良好的導(dǎo)電性，易于合成，生
態(tài)友好，低成本和豐富的氧化還原位點(diǎn)等多種優(yōu)異的性
能，是一種很有前景的儲能材料。
近年來，許多具有不同納米結(jié)構(gòu)的CoS2和CoS2基復(fù)
合材料被開發(fā)成為高性能超級電容器的電極材料。高度
復(fù)雜的空心納米結(jié)構(gòu)的納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征而
引起了人們對其用于能量存儲和轉(zhuǎn)換的電極材料產(chǎn)生極
大興趣。但是，合成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的中空金屬硫化物仍
然很困難。
R e n 等 人通過兩步法將Co-Co普魯士藍(lán)類似物
（PBA）轉(zhuǎn)化為空心介孔立方體結(jié)構(gòu)的CoS2納米材料，
在電流密度為1Ag-1時(shí)其比容量為936Fg-1。
此外，CoS2納米立方體具有良好的容量保持率（電
流密度從1Ag-1提高到20Ag-1的電容保持率為73.3%）和
較長的循環(huán)壽命（在5Ag-1下5000次循環(huán)后電容保持率為
過渡金屬硫化物
及其復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用
李　敏　馮萬忠　魏　軒　　通化師范學(xué)院
【摘　要】簡要介紹了鎳、鈷、鐵、鉬過渡金屬硫化物及其復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】超級電容器；過渡金屬硫化物；應(yīng)用
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2022.20.022
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技術(shù)應(yīng)用與研究
83%）。以CoS2為正極，活性炭（AC）為負(fù)極組裝非對
稱超級電容器的能量密度為34.68Whkg-1，與其所對應(yīng)的
功率密度為356.9Wkg-1；在7336.8Wkg-1的功率密度下保
持25.74Wh kg-1的能量密度，以及優(yōu)異的倍率性能（電
流密度從0.5Ag-1提高到10Ag-1的電容保持率為74.2%）。
由于過渡金屬氫氧化物的導(dǎo)電性差，因此通常將其與
其他材料復(fù)合成新型的復(fù)合電極材料。這表明CoS2空心
立方體納米材料是下一代高性能超級電容器電極材料
的良好候選材料。Zeng等人通過用S2?置換Co-普魯士藍(lán)
（PB）納米立方體中的[Fe（CN）6]3
?，可在中空Co3[Fe
（CN）6]2納米結(jié)構(gòu)的表面上同時(shí)沉淀純CoS2。合成后的
3D空心CoS2納米框架由于具有均勻的破碎空心結(jié)構(gòu)和良
好的分散性而顯示出大的比表面積，這使其具有良好
的電化學(xué)性能。樣品CoS2表現(xiàn)出最高的面積比容量（電
流密度為0.5Acm-2時(shí)，比容量為568Fg-1）和較長的循環(huán)
壽命（5000次循環(huán)后電容保持率為88.3%）。以3D空心
CoS2納米框架組裝的不對稱超級電容器器件在32.3Whkg-1
的能量密度下的功率密度為4000Wkg-1。Lei等人使用Zn/
Co基沸石咪唑酯骨架作為前驅(qū)體，通過兩步（碳化和
硫化）合成N、S共摻雜多孔碳負(fù)載的CoS2納米復(fù)合材
料。所制備的材料保持了前體的菱形十二面體結(jié)構(gòu)，并
且碳納米管扎根于納米復(fù)合材料表面。N,S-共摻雜多孔
碳負(fù)載的CoS2納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
在 1 A g-1電流密度下，表現(xiàn)出635.8 F g-1的高比電容和
2000次充放電循環(huán)后，電容保持率扔為88%。而且，以
N，S-共摻雜多孔碳負(fù)載的CoS2納米復(fù)合材料為正極，
活性炭(AC)為負(fù)極成功組裝的非對稱超級電容器，其電
位窗口可以擴(kuò)展到1.4 V，并表現(xiàn)出令人滿意的能量密度
（14.1 Wh/kg）和功率密度（0.71 kW/kg）。
四、硫化鐵
硫化鐵（FeS2）由于具有價(jià)格低廉、出色的電導(dǎo)
率、大量的電化學(xué)活性位點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，作為一種潛在的儲
能電極材料備受廣泛的關(guān)注。
S r i d h a r 等 人 利 用 一 鍋 兩 步 法 合 成 碳 納 米 纖 維
（CNF）交聯(lián)的FeS2網(wǎng)絡(luò)，通過微波熱解二茂鐵，然后
修飾CNF，再以l -半胱氨酸為硫源進(jìn)行硫化，即得到
FeS2-CNF。當(dāng)3D介孔FeS2-CNF用作鋰離子電池的負(fù)極
時(shí)，即使在300次循環(huán)后仍表現(xiàn)出994mAh/g的高容量，
超過了FeS2的理論容量（894mAh/g）。此外，當(dāng)用作超
級電容器電極時(shí)，在掃描速率為5、100mVs-1時(shí)復(fù)合電極
材料所對應(yīng)的比容量分別為612和342F/g，并且在2000次
循環(huán)后電容保持率仍高達(dá)97%。
Sun等人為了解決超級電容器裝置中能量密度低的問
題，提高陽極的比容量，利用快速微波輔助方法制備了橢
球體FeS2納米材料，并以此為超級電容器的陽極。橢球體
FeS2作為陽極是具有寬的工作電壓（-1.2?0V）和高的比容量
（515C g-1，1Ag-1），較常規(guī)碳材料有明顯的改善。由于橢
球體FeS2具有高的比電容，在功率密度為271.2Wkg-1時(shí)，
最大的能量密度為64Whkg-1，并且在5000次循環(huán)后電容
保持率仍高達(dá)91%。
Wang等采用快速微波法和管式爐加熱工藝成功制備
了新型FeS2/氮硫雙摻雜石墨烯（NSG）柔性雜化電極材
料。小尺寸的FeS2納米花均勻負(fù)載在多層NSG上，促進(jìn)
電子傳輸和電化學(xué)反應(yīng)。該材料在三電極系統(tǒng)中表現(xiàn)出
良好的電化學(xué)性能，如高比電容（在1Ag-1的電流密度下
為 528.7 F g -1 ）、優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性和長期循環(huán)壽命
（10 A g-1電流密度下，10000次循環(huán)后，電容保持率為
89%）。這些結(jié)果證明了FeS2/NSG 柔性混合納米復(fù)合材
料在超級電容器應(yīng)用中的巨大潛力。
五、硫化鉬
二硫化鉬（MoS2）是一種廉價(jià)、容易合成的材料，
具有納米片狀的形貌、大的表面積和優(yōu)越的導(dǎo)電性能。
由于其獨(dú)特的性質(zhì)，MoS2受到了催化、氫能存儲領(lǐng)域、
鋰離子電池以及超級電容器等領(lǐng)域科學(xué)研究人員的廣泛
關(guān)注。因此，MoS2及MoS2基復(fù)合材料是近年來超級電容
器電極材料研究的熱點(diǎn)。
例如，Gao等人以SiO2納米球?yàn)槟０澹捎煤唵蔚乃?
熱法制備了MoS2納米微球。然后對MoS2納米球的形貌和
結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的表征，并評價(jià)其作為超級電容器電極
材料的性能。恒電流充電/放電測量表明，MoS2納米球在
電流密度為1Ag-1時(shí)，比容量為683 F/g，并且在10000次
循環(huán)后比容量仍能保持在85.1%左右。并成功組裝了一
種基于MoS2納米球?yàn)檎龢O，活性炭（AC）為負(fù)極的非對
稱超級電容器。
該 超 級 電 容 器 在 電 流 密 度 為 1 A g - 1時(shí) ， 獲 得
20.42Whkg-1的最大能量密度和750.31KWkg-1的最大功率
密度。兩個(gè)電池串聯(lián)可以輕松點(diǎn)亮發(fā)光二極管燈，進(jìn)一
步證明了所制備的MoS2材料的高儲能能力。
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技術(shù)應(yīng)用與研究
六、結(jié)語
過渡金屬硫化物由于具有良好的導(dǎo)電性、高比容
量、低電負(fù)性、獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和高氧化還原電位等優(yōu)
異性能，是極有前景的電化學(xué)超級電容器電極材料。這
些納米結(jié)構(gòu)材料可以有效地提高電化學(xué)活性，利用它們
作為活性電極材料可以提高超級電容器的能量和功率密
度，良好的循環(huán)穩(wěn)定性和速率性能。
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基金項(xiàng)目：吉林省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：
JKH20210529KJ）；吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)
目（項(xiàng)目編號：S202110202028）。
通訊作者：魏軒

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