空心六边形镍钴硫化物/RGO复合物的合成及其超级电容性能

蔡晓庆季振源沈小平＊,王冀恒沈晓涵程世青

空心六边形镍钴硫化物/RGO复合物的合成及其超级电容性能

蔡晓庆1季振源1沈小平＊,1王冀恒2沈晓涵1程世青1

(1江苏大学化学化工学院，镇江212013)
(2江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江212003)

通过两步法制备了一种空心六边形镍钴硫化物(HHNCS)与还原氧化石墨烯(RGO)的纳米复合材料HHNCS/RGO。利用XRD，SEM，TEM和Raman光谱等对复合物进行表征，发现镍钴硫化物为空心六边形结构，并且均匀地附着在RGO的表面。该纳米复合物用作超级电容器电极表现出优异的电化学性能。在电流密度为1A·g-1时比电容为927F·g-1；当电流密度增大到20A·g-1时，比电容仍高达724F·g-1，表明材料拥有较好的倍率性能。此外，在电流密度5A·g-1下循环2000次后比电容保留有初始值的93%，显示出优异的循环稳定性。HHNCS/RGO优异的电容性能主要是由于RGO的存在不仅增强了材料的导电性，而且作为理想的载体分散HHNCS纳米片。HHNCS/RGO纳米复合物优异的电化学性能使其在超级电容器电极材料领域具有应用前景。

镍钴硫化物；石墨烯；复合材料；合成；超级电容器

0 引言

镍钴硫化物(NiCo2S4)是一种理想的超级电容器电极材料，近年来得到研究人员的广泛关注。由于镍、钴的共同作用，NiCo2S4比单金属硫化物具有更加丰富的氧化还原性质[1-2]。此外，和NiCo2O4相比，NiCo2S4导电性能更好，且具有方便电子传输的柔性结构[3-4]。目前人们已经制备出各种不同形貌结构的NiCo2S4，并研究它们的电化学性质。例如，Xia等利用一种新颖的自身模板法制备单壁或多壁空心球NiCo2S4纳米材料，发现该超级电容器电极材料在电流密度2A·g-1时比电容高达1263F·g-1[5]。Lou等制备的NixCo3-xS4空心纳米棱柱在1A·g-1的电流密度下比电容为895F·g-1[6]。Zhang等通过水热法制备出形貌可控的NiCo2S4，电化学研究发现管状NiCo2S4具有最优异的电容性能，在3A·g-1电流密度下比电容高达1048F·g-1[7]。石墨烯作为一种二维平面结构的碳材料，由于具有较大的比表面积和优良的导电性，常被用作功能性纳米材料的载体。目前，已有一些关于镍钴硫化物与石墨烯复合的报道[8-13]。例如，Peng等通过原位生长法制备了一种镍钴硫化物/石墨烯纳米复合物，其中NiCo2S4为纳米片，附着在石墨烯片表面，形成一种片与片接触的纳米结构，该复合电极材料具有优异的电化学性能[8]。Du等采用物理搅拌法制备镍钴硫化物/石墨烯纳米复合物。CoNi2S4为纳米粒子，均匀地分散在石墨烯表面。研究结果表明，当CoNi2S4含量为5%(w/w)时，复合物呈现出最佳的电化学性能[9]。Wang等通过两步水热法将一种海胆状六方锥微米结构的NiCo2S4原位生长在三维石墨烯表面，这种独特的结构使复合电极材料表现出优异的电化学性能[13]。本文报道一种空心六边形镍钴硫化物/石墨烯纳米复合物，其空心结构可以缩短离子传输距离、方便电荷传输，同时也可增大与电解质的接触面积，因而表现出了优异的电化学性能。

1 实验部分

本实验采用的试剂都为分析纯试剂，购自上海国药集团。

1.1 氧化石墨的制备

采用改进的Hummers法制备氧化石墨，具体步骤如下：取一个干燥的500mL三颈烧瓶，置于磁力搅拌器上，加入80mL质量分数为98%的浓硫酸，用冰浴冷却至0℃。随后加入2g天然鳞片石墨，搅拌均匀后缓慢加入4g NaNO3和10g KMnO4，该过程反应温度控制在10℃以下，持续搅拌下低温反应4h。然后提高反应液温度至35℃，在中温条件下反应5h。再向反应体系中加入200mL蒸馏水，控制温度在100℃以内，高温反应30min。向反应液中缓慢加入10mL浓度为30%的H2O2，待反应液冷却后，将其倒入烧杯中，并加入蒸馏水进行沉降，以除去未完全氧化的黑色颗粒。然后产物用5%HCl洗涤，并利用透析袋透析至溶液中无Cl-与，最后产物在45℃下干燥。

1.2 HHNCS/RGO纳米复合物的合成

首先将一定量氧化石墨超声分散在10mL去离子水中形成均一的氧化石墨烯(GO)分散液。将0.5mmol Ni(Ac)2·4H2O和1.0mmol CoCl2·6H2O溶于10mL去离子水中形成均一的溶液，将此溶液缓慢滴加到氧化石墨烯分散液中，再加入1.6g NaOH，搅拌0.5h。然后将混合物转移至一个30mL的反应釜中，于160℃下反应20h。待溶液冷却至室温后，将产物离心分离，并用去离子水和无水乙醇洗涤，得到HHNCS/RGO的前驱体。将此前驱体的一半超声分散于15mL去离子水中，然后加入1mL浓度为1mol·L-1的Na2S溶液，搅拌0.5h，将混合物转移至30mL的反应釜，于160℃下反应12h。沉淀离心分离后分别用去离子水和乙醇洗涤数次，然后真空干燥，得到产物HHNCS/RGO。根据合成过程中氧化石墨的用量不同，将氧化石墨用量为5、10、20和30mg所合成的产物分别标记为HHNCS/ RGO-5、HHNCS/RGO-10、HHNCS/RGO-20和HHNC S/RGO-30。

作为比较，用相似的合成条件，制备单独的HHNCS和RGO样品。

1.3 仪器表征

产品相结构通过X-射线衍射仪(XRD，Bruker D8Advance,Cu Kα,λ=0.15406nm,工作电压40kV，工作电流40mA)进行表征，扫描速率为7°·min-1。样品成分由能量色散X-射线光谱测定法(EDS)进行表征。产物的形貌和尺寸通过场发射扫描电子显微镜(FESEM,Hitachi S-4800)和透射电子显微镜(TEM，JEOL-2100)进行观察。拉曼光谱采用DXR激光拉曼光谱仪在室温下进行测量，激发波长为532nm。利用综合热分析仪(NETZSCH STA449C)进行热重(TG)分析，在氧气气氛下，加热速率为5℃·min-1。

1.4 电化学测量

采用CHI760D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)在三电极体系中对样品进行电化学性能测试。以铂片为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。工作电极的制备方法如下：将活性物质(HHNCS/ RGO,HHNCS或RGO)、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(PVDF)按照质量比8∶1∶1混合，于N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中搅拌24h形成均一的浆状物，将其涂抹在干净的泡沫镍表面(1×1cm2)，然后置于真空干燥箱中于80℃干燥48h，压片。在3mol·L-1KOH电解液中采用循环伏安(CV)，恒电流充放电(CD)对电极材料的电化学性能进行测试。比电容计算公式[5]：

其中Cs(F·g-1)为比电容，I(mA)为放电电流，Δt(s)为放电时间，ΔV(V)为放电电位窗口，m(mg)指电极中活性组分质量。

2 结果与讨论

2.1 HHNCS/RGO复合物的合成

首先采用水热法制备HHNCS/RGO的前驱体。由于表面含氧官能团的存在，氧化石墨烯(GO)分散于水中后呈负电性。当Ni(Ac)2·4H2O和CoCl2·6H2O加入到GO分散液中，由于静电吸引作用，Ni2+和Co2+首先吸附在GO纳米片的表面。在碱性环境及高温高压条件下，六边形的镍钴前驱体在GO表面原位形成，同时GO也被还原成RGO。第二步，将Na2S作为硫源与得到的前驱体在水热条件下反应，硫离子与前驱体中金属离子结合形成镍钴硫化物薄层，这就阻碍了外部硫离子与内部金属离子的直接反应。由于金属阳离子尺寸比阴离子尺寸小，阴离子向内扩散的速率较阳离子向外扩散的速率慢，因此，在硫化过程中逐渐形成空心结构[14]。随着反应的进行，NiCo2S4壳层逐渐增厚而前驱体核逐渐减小，最终得到HHNCS/RGO纳米复合物。

2.2 结构与形态表征

图1a为氧化石墨，RGO，HHNCS及HHNCS/ RGO-10纳米复合物的XRD图。图中可以看出，氧化石墨在2θ为11.3°处出现一个强烈的(001)特征峰。当氧化石墨被还原后，产物RGO在2θ为26.1°处出现一个宽而弱的衍射峰，对应于还原氧化石墨烯(002)特征峰，而原先的(001)衍射峰显著削弱，表明合成过程中GO被较好的还原[15]。HHNCS/RGO-10纳米复合物与HHNCS分别在2θ为25.9°、31.3°、38.1°、50.4°和55.4°处出现特征衍射峰，分别对应于立方相NiCo2S4(JCPDS 20-0782)的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面。比较HHNCS/RGO-10纳米复合物与HHNCS的XRD图，发现加入GO不会影响NiCo2S4的形成及晶型结构。在HHNCS/RGO-10中没有出现RGO的特征(002)衍射峰，其原因可能是由于RGO含量较少或由于HHNCS的存在阻止了RGO片的堆积所致。图1b是HHNCS/RGO-10的EDS图，其中检测到的C来自于RGO，O来自于RGO中残余的含氧官能团，Ni、Co、S来自NiCo2S4，这进一步证明成功制备了HHNCS/RGO纳米复合物。

图1 (a)氧化石墨，RGO,HHNCS和HHNCS/RGO-10的XRD图；(b)HHNCS/RGO-10纳米复合物的EDS图Fig.1(a)XRD patterns of graphite oxide,RGO,HHNCS and HHNCS/RGO-10nanocomposite;(b)EDS spectrum of HHNCS/RGO-10nanocomposite

图2 HHNCS/RGO-10纳米复合物的FESEM图Fig.2FESEM images of HHNCS/RGO-10nanocomposite

图3 HHNCS/RGO-10纳米复合物的TEM图Fig.3TEM images of HHNCS/RGO-10nanocomposite

利用FESEM及TEM对样品的形貌，尺寸及其粒子在RGO表面的分布情况进行了观察。图2为HHNCS/RGO-10纳米复合物的FESEM图。透明丝绸状的石墨烯表面密集覆盖有HHNCS纳米片，且镍钴硫化物的形貌为空心六边形结构。为了进一步观察其形貌结构，将HHNCS/RGO-10纳米复合物进行TEM表征，如图3所示。图中褶皱状的石墨烯薄片清晰可见(图中用黑色箭头所示)。根据图3a，可以观察到NiCo2S4纳米片分散在RGO的表面，且呈现空心六边形结构(图中白色箭头所示)。这种空心结构可以增大比表面积，有利于更多活性组分与电解液接触，且可以缩短电子和离子的传输距离，提高材料的电化学性能。此外RGO片外围没有发现游离的NiCo2S4纳米片，说明NiCo2S4纳米片与RGO完全复合。图3b为高倍率TEM图，图中可以看出HHNCS的直径约为150nm。作为比较，单独HHNCS样品的TEM图如图4所示，从中可以看出，NiCo2S4纳米片同样呈现空心六边形结构。但由于没有加入RGO，空心六边形镍钴硫化物团聚现象较为严重。

图5为氧化石墨、RGO、HHNCS和HHNCS/ RGO-10的拉曼光谱图。除HHNCS外，氧化石墨、RGO及HHNCS/RGO-10的Raman光谱分别在1351和1595cm-1处出现2个明显的峰，分别对应于碳的D峰和G峰[16]。D峰是由结构缺陷和无序引起的，而G峰是由石墨烯平面中sp2C原子的伸缩振动引起[17]。D峰与G峰的强度比(ID/IG)通常用于评估石墨结构的缺陷和无序度[15]。氧化石墨，RGO和HHNCS/RGO-10的ID/IG值通过高斯拟合分别为1.1，1.9和2.4。相对于氧化石墨，RGO和HHNCS/ RGO-10的ID/IG值明显增大，说明其结构缺陷和无序度增大，这表明氧化石墨中含氧基团被较好的去除，GO被成功还原[2]。HHNCS/RGO-10较RGO更大的ID/IG值是由于RGO负载HHNCS后结构缺陷和无序度会进一步增大。此外，HHNCS和HHNCS/ RGO-10的Raman光谱在549.8和656.7cm-1处有2个微弱的特征峰[18-19]，分别对应于Ni-S与Co-S的伸缩振动，进一步证明成功制备了NiCo2S4。此外，为了测定复合物中RGO的含量，利用综合热分析仪在氧气气氛中，加热速率为5℃·min-1下进行热重分析试验，HHNCS/RGO-10纳米复合物的热重曲线如图6所示。从图中可以看出，升温至100℃时复合物失重约为6.7%，这可以归因于复合物中吸附的水分子的挥发；在100～480℃之间失重约为7.1%，这是由于RGO的氧化分解所致[20]。通过TG结果可以知道，HHNCS/RGO-10中RGO的含量约为7.1%(w/w)，这与理论值相吻合。

图4 单独HHNCS样品的TEM图Fig.4TEM images of pure HHNCS sample

图5 氧化石墨，RGO,HHNCS和HHNCS/RGO-10纳米复合物的Raman图Fig.5Raman spectra of graphite oxide,RGO,HHNCS和HHNCS/RGO-10nanocomposite

图6 HHNCS/RGO-10纳米复合物的热重分析曲线Fig.6TG curve of HHNCS/RGO-10nanocomposite

图7 (a)HHNCS/RGO和HHNCS电极在扫速为5mV·s-1时的CV曲线；(b)HHNCS/RGO-10和(c)HHNCS在不同扫速下的CV曲线；(d)HHNCS/RGO-10和HHNCS的阳极峰电流密度对扫速的平方根作图Fig.7(a)CV curves of HHNCS/RGO and HHNCS electrodes at the scan rate of 5mV·s-1;CV curves of(b)HHNCS/RGO-10electrode and(c)HHNCS electrode at various scan rates;(d)Variation of the current densities of the anodic peaks for HHNCS/RGO-10and HHNCS electrodes as a function of the square root of scan rate

2.3 电化学性能研究

所合成材料的电容性能通过循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)进行测定。图7a为HHNCS/RGO和HHNCS在电压范围0～0.5V、扫描速率为5mV· s-1下的CV曲线。图中所有曲线都呈现一对明显的氧化还原峰，表明电容特性主要归因于法拉第氧化还原反应。其氧化还原机制主要是：HHNCS/RGO和HHNCS在碱性电解液中的通过Ni2+/Ni3+，Co2+/Co3+和Co3+/Co4+转变，发生形成NiSOH，CoSOH和CoSO的可逆氧化还原反应[21]。比较相同扫速下CV曲线的积分面积，可以看出HHNCS/RGO的比电容较HHNCS要大，且HHNCS/RGO-10具有最大的比电容值。图7b和c分别为HHNCS/RGO和HHNCS在不同扫描速率下的CV曲线。随着扫速的增大，阳极峰向高电压方向偏移，阴极峰向低电压方向偏移，这可归因于增大的欧姆过电势[22]。图7d为HHNCS/ RGO-10和HHNCS的阳极峰电流对扫速的平方根作图。可以看出HHNCS/RGO-10和HHNCS的阳极峰电流跟扫速的平方根呈线性关系，表明电极反应是可逆的。此外，HHNCS/RGO-10的直线斜率较大，表明其离子扩散系数较大[23]。

图8 (a)HHNCS/RGO，HHNCS电极在电流密度为1.0A·g-1时的充放电曲线；(b)HHNCS/RGO-10电极在不同电流密度1.0、2.0、5.0、10和20A·g-1下的充放电曲线；(c)HHNCS/RGO-10和HHNCS电极的比电容对电流密度作图；(d)HHNCS/RGO-10和HHNCS电极在恒电流密度5A·g-1时的循环性能图Fig.8(a)Charge-discharge curves of HHNCS/RGO and HHNCS electrodes at the current density of 1.0A·g-1;(b)Charge-discharge curves of HHNCS/RGO-10electrode at various current densities of 1.0、2.0、5.0、10and 20A·g-1;(c)Specific capacitance values of HHNCS/RGO-10and HHNCS electrodes as a function of current density;(d)Cycling performance of HHNCS/RGO-10and HHNCS electrodes at a constant current density of 5A·g-1

图8为HHNCS/RGO纳米复合物和HHNCS的恒电流充放电图。电流密度为1A·g-1时HHNCS/ RGO和HHNCS电极的充放电曲线如图8a所示。图中可以清晰地看出在0.25V附近出现电压平台，表明复合材料的赝电容特性[24-25]。HHNCS/RGO-10纳米复合物在不同电流密度下的充放电曲线如图8b所示。根据比电容计算公式，可以得到HHNCS/RGO-10和HHNCS的比电容值，结果如图8c所示。HHNCS/RGO-10在电流密度1A·g-1时比电容高达927F·g-1，比单独HHNCS在同样电流密度下的比电容高2倍多。随着电流密度的增大，HHNCS/RGO-10和HHNCS的比电容值逐渐减小，这可能是由于OH-传输限制引起的。当电流密度增大到20A·g-1时，HHNCS/RGO-10的比电容仍然高达724F·g-1，显示其较高的倍率性能。和单独HHNCS相比，HHNCS/RGO-10比电容增大可归因于HHNCS与RGO之间的协同效应。RGO作为载体不仅可以分散HHNCS纳米片，使其能更好地与电解液接触；还可以构建导电通路，提高HHNCS/RGO复合物整体的导电性。

此外，RGO的含量对纳米复合物的比电容值具有明显的影响。随着RGO含量的增加，HHNCS/RGO纳米复合物的比电容值先增大后减小，其中HHNCS/RGO-10的比电容值最大。该结果表明适量的RGO可以分散活性组分并提高复合物的导电性。而过量的RGO会导致复合物中活性组分HHNCS含量相对下降，比电容也随之降低。此外，对HHNCS/RGO-10和HHNCS在电流密度为5A·g-1下进行循环性能的测试。图8d为电极材料的比电容对循环次数作图，由图可见，单独的HHNCS在循环过程中比电容一直衰减，循环2000次后比电容是初始值的79%。而HHNCS/RGO-10在初始500次循环中比电容增大，这可能是由于活性组分被充分活化引起的。而在随后的循环过程中，比电容逐渐降低，循环2000次后HHNCS/RGO-10的比电容保留率为93%，远高于单独的HHNCS，这表明复合后电极材料的循环稳定性得到显著提高。

3 结论

本文通过两步法成功制备了一种复合均匀的HHNCS/RGO纳米复合材料，该纳米复合物电极表现出优异的电化学性能。在电流密度为1A·g-1时比电容为927F·g-1，当电流密度增大到20A·g-1时，比电容仍高达724F·g-1，表明其较好的倍率性能。此外，在电流密度5A·g-1下循环2000次后比电容保有率达93%，表明其优异的循环稳定性。HHNCS/ RGO复合物增强的电容性能主要可归因于RGO的存在，RGO不仅增强HHNCS/RGO纳米复合物的导电性，而且作为理想的载体分散HHNCS纳米片。HHNCS/RGO纳米复合物优异的电化学性能使其在超级电容器电极材料领域具有潜在的应用前景。

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Synthesis of Hollow Hexagonal Nickel-Cobalt Sulfide/RGO Nanocomposite for Supercapacitor Application

CAI Xiao-Qing1JI Zhen-Yuan1SHEN Xiao-Ping＊,1WANG Ji-Heng2SHEN Xiao-Han1CHENG Shi-Qing1
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013) (School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu 212003)

The uniform nanocomposites of hollow hexagonal nickel-cobalt sulfide/reduced graphene oxide (HHNCS/RGO)are synthesized through a two-step hydrothermal route,and they were characterized by XRD, SEM,TEM and Raman.It is found that nickel-cobalt sulfides with hollow hexagonal structure were uniformly anchored on the surface of RGO sheets.The as-prepared nanocomposites as supercapacitor electrodes present good electrochemical performances.The HHNCS/RGO nanocomposites deliver a maximum specific capacitance of 927F·g-1at the current density of 1A·g-1,and still exhibit a high specific capacitance of 724F·g-1at the big current density of 20A·g-1,indicating their good rate capability.In addition,the specific capacitance retains 93%of its initial value after 2000charge-discharge cycles at the current density of 5A·g-1,indicating their high cycling stability.The enhanced capacitive performance is attributed to the fact that RGO can not only improve the conductivity of HHNCS/RGO nanocomposites but also work as support to disperse the HHNCS nanosheets effectively.

nickel-cobalt sulfide;graphene;composite;synthesis;supercapacitor

O614.81+2;O614.81+3

A

1001-4861(2017)01-0026-07

10.11862/CJIC.2017.017

2016-05-14。收修改稿日期：2016-11-11。

中国教育部博士点基金(No.20123227110018)、国家自然科学基金(No.51272094)和江苏省大学生实践创新训练计划项目(201413986012x)资助。＊

。E-mail：xiaopingshen@163.com