关键词： 全固态锂离子电池   固态电解质   聚氧化乙烯   氧化石墨烯   金属有机框架材料  

摘要： 传统锂离子电池（LIBs）采用的有机电解液存在泄漏、过充热失控及内部短路等安全隐患,限制了其应用。固态电解质（SSE）作为一种更为安全可靠的替代方案,受到了广泛关注。聚氧化乙烯（PEO）由于对锂离子的良好解离能力、易成膜且加工简单成为了最具发展前景的SSE材料。然而,PEO在室温下结晶程度较高,不能满足日常使用。本课题制备一种氧化石墨烯（GO）掺杂PEO基复合固态电解质,能够有效抑制PEO结晶,提高复合固态电解质的离子电导率,并通过在GO纳米片表面原位生长金属有机框架（MOFs）获得MOFs/GO复合材料,将其作为填料制备了MOFs/GO/PEO复合固态电解质,对其性能进行研究,得到的结论如下: （1）采用溶液浇注法制备得到GO/PEO电解质膜,并研究GO添加量对GO/PEO复合电解质性能的影响。结果表明,在60 ℃条件下,当GO的添加比例达到2 wt%时,GO/PEO展现出4.332×10-4S cm-1的高离子电导率,具有5.2 V的电化学窗口,Li+迁移数达到0.41。基于GO/PEO电解质膜组装成Li Fe PO4|2 wt%GO/PEO|Li全固态锂电池,在60 ℃条件下,该电池在0.1 C倍率进行70圈循环后展现出118.96 m Ah g-1的放电比容量。并且在0.1 m A cm-2的电流密度下,Li|2 wt%GO/PEO|Li电池实现250 h稳定循环。 （2）通过原位合成法制备了ZIF-67/GO纳米复合材料,随后利用溶液浇注法制备得到ZIF-67/GO/PEO电解质膜。60 ℃条件下,当ZIF-67/GO含量为5 wt%时,该PEO基固态电解质具有较高离子电导率(6.138×10-4S cm-1)和Li+迁移数（0.47）,以及较宽的电化学稳定窗口（5.3 V）。基于ZIF-67/GO/PEO电解质膜组装成Li Fe PO4|5wt%ZIF-67/GO/PEO|Li全固态锂电池,在60 ℃条件下,该电池经过0.5 C倍率循环100次后其容量保持为77.8%。并且在0.1 m A cm-2的电流密度下,Li|5 wt%ZIF-67/GO/PEO|Li电池可稳定循环700 h以上。 （3）首先在GO基底上原位生长ZIF-8纳米粒子,然后通过热解法制备了氮掺杂多孔碳负载Z O的纳米材料（N-GZ）,利用溶液浇注法制备得到N-GZ/PEO电解质膜。结果表明,掺杂了3 wt%N-GZ的PEO基固态电解质展现出优异的离子电导率。同时,在60 ℃下Li+迁移数提高至0.48,电化学稳定窗口扩宽至5.4 V。基于N-GZ/PEO电解质膜组装成Li Fe PO4|3 wt%N-GZ/PEO|Li全固态锂电池,展现出优越的倍率性能与循环性能。在60 ℃,0.5 C倍率下循环100圈后容量保持为89.2%。并且在0.1 m A cm-2的电流密度下,Li|3 wt%N-GZ/PEO|Li电池可稳定循环800 h以上。 综上所述,通过MOFs修饰GO制备PEO基复合固态电解质展现出较单一PEO固态电解质更好的倍率性能以及循环性能,有望实现全固态锂离子电池的商业应用。

关键词： 复合材料   金属有机框架   石墨烯   制备工艺   SERS性能  

摘要： 随着环境污染问题的日益严重，对痕量污染物进行快速、灵敏地检测成为一项迫切的需求。在这方面，表面增强拉曼散射技术（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）显示出巨大的应用潜力。SERS技术通过将待测样品与具有增强性能的基底材料相互作用，能够实现对目标分子的高灵敏度检测，使得痕量污染物能够被准确、快速地检测出来，为环境保护和健康安全提供重要支持。然而，SERS技术的主要制约因素在于制备高性能基底。迄今为止，贵金属材料一直是热门研究对象，特别是金（Au）、银（Ag）纳米材料，因其局域表面等离子体共振效应成为目前SERS效应最强且应用最广泛的基底材料。事实上，目前金纳米粒子已经可以实现单分子的检测。然而，贵金属纳米粒子存在易于聚集和稳定性差的缺点，同时使用这些材料还面临高成本的问题，严重限制了 SERS技术的进一步应用。基于上述问题，开发一种低成本、高稳定性且具备与贵金属相媲美的增强能力的SERS基底成为SERS技术发展的关键。　　论文内容主要分为以下三个部分:　　（一）采用简单室温合成法合成了金属有机框架材料ZIF67,摒弃传统的有机溶液体系，改用绿色环保高效的水体系，并通过改变二甲基咪唑（2-MI）的加入量来控制合成了不同形貌的ZIF67,其中纳米片状结构和截角十二面体结构具有稳定的形态。随着2-MI/Co的摩尔比的增大，重点研究了 ZIF67晶体在水体系中的生长过程，并采用SEM，TEM,XRD等技术手段对其结构进行表征。接着对其中具有稳定的形貌的纳米片状结构和截角十二面体结构重点探究，进行简单的煅烧处理并将其应用在超级电容器方面。　　（二）将薄膜氧化石墨烯的表面负载截角十二面体形貌的ZIF67制备出GO/ZIF67复合材料。该复合材料作为非贵金属SERS基底，显示了较好的SERS性能:高灵敏度、良好的均匀性、超低的检测限（10-10M R6G）和良好的再现性。相比于单独的ZIF67,石墨烯（GO）覆盖在ZIF67的表面不仅可以增加待测分子的吸附能力从而提高其检测灵敏度。而且可以极大地增强ZIF67的热稳定性，这使得ZIF67在经过多次高温处理后依旧保持原有的形貌，从而保证了 ZIF67在多次循环使用后仍具有较强的拉曼增强效果，很好地解决了传统的“一次性”SERS基底面临的高成本和制作工艺复杂的问题;并且由于该SERS基底通过高温来实现自清洁效果，从而可以对大多数分子进行可循环利用，这也保证了该SERS基底具有普遍适用性。　　（三）利用静电吸附作用，将CTAB包裹的带正电的Au纳米粒子（AuNPs）有效负载在Co-LDH表面制得Co-LDH/AuNPs复合SERS基底。与单独的AuNPs和核壳结构的ZIF67@AuNPs复合基底相比，制备的Co-LDH/AuNPs复合材料通过Co-LDH的分子富集和AuNPs的表面等离子体共振（SPR）效应展现出良好的SERS性能。Co-LDH的引入增加了 AuNPs周围的目标分子浓度，从而增强了 SERS信号强度和灵敏度。R6G的检测限达到10-12M的低浓度。更重要的是，基底结构的均匀性和Co-LDH的保护作用导致了 SERS基底优异的可再现性（相对标准偏差低于9%）和良好的稳定性（基底在暴露于空气90天后仍保持良好的SERS活性）。

关键词： 分子动力学   多层石墨烯   GPU加速分子动力学   热导率   均匀非平衡分子动力学  

摘要： 石墨烯因其出色的物理、化学和热性能而备受关注,尤其在热管理和电子设备方面显示出广泛的应用前景。在这篇文章中,通过基于图形处理单元的均匀非平衡分子动力学(HNEMD)方法,利用分子动力学软件包GPUMD在三维框架中进行了对一至三层石墨烯的热传输问题的研究。文章主要探讨了在使用图形处理器单元进行大规模分子动力学模拟时的性能优化及其对热输运特性研究的影响。 研究首先回顾了热输运的理论背景和分子动力学的基本原理,解释了傅里叶定律和分子动力学在计算材料热性能中的应用。尤其是在考虑声子(晶格振动引起的能量量子)和电子的贡献时的计算方法。对使用传统CPU与GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)在执行分子动力学(MD)模拟方面的性能进行了比较。结果表明,GPU加速的分子动力学模拟在计算速度和能效方面显著优于传统CPU方法。GPU提供的大规模并行处理能力使得在更短的时间内处理复杂的热输运模拟成为可能,尤其是在处理多层石墨烯这类大规模纳米材料。还探讨了如何利用这些理论和计算方法来模拟和研究多层石墨烯的热传导性能及其可行性。 在研究中用一个优化的Tersoff势来描述C-C共价键,而层间的范德华力则由12-6 Lennard-Jones势描述。具体地探讨了实验的设置,如时间步长的选择、系统尺寸的确定,以及如何在模拟中实现温度梯度。通过这些细节,确保了模拟的准确性和重现性。由于HNEMD方法是均匀的,没有边界散射,所以在双层石墨烯模拟实验中得到了比以往使用非平衡分子动力学研究更为准确的结果。之后继续深入探讨了三层石墨烯的热输运性能,并对其研究结果进行了总结与讨论。通过深入的分子动力学模拟与对多层结构中的声子行为和热流分布的分析,全面地对比不同层石墨烯结构中热输运的复杂性和多样性,并对产生这种现象其背后的原因进行分析。

关键词： 石墨烯   电磁诱导透明   太赫兹   场发射   功函数  

摘要： 石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子面排列构成的二维蜂窝状碳质晶体材料。自问世以来,石墨烯就因其优异的电学、光学、力学和热学性能在诸多领域显现出了应用潜力。表面势是石墨烯材料重要的物理参数之一,对石墨烯表面势便捷有效的调控有助于推动石墨烯从实验室走向未来的全面应用。本文围绕石墨烯表面势的测量、调控和匹配选取了三种石墨烯光电器件进行研究,分别涉及太赫兹波的调控、柔性显示和场发射光源。这三个方面涵盖了光在通信、娱乐、照明上的应用,充分体现了石墨烯作为一种新型材料在将来对我们生活的潜在影响。 1.研究了化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,CVD）合成大面积单层石墨烯的工艺,制备出了大面积且膜结构连续的单层石墨烯,为后续石墨烯的器件应用打下了基础。针对传统CVD法合成石墨烯时存在大量晶格缺陷的问题,研究了降低石墨烯成核密度以及扩大单晶石墨烯尺寸的工艺和方法,提高了所制石墨烯的质量。首先在铜盒法生长单晶石墨烯的基础上,提出了增加生长阶段的气压以获得更小的石墨烯成核密度。通过统计不同生长气压下铜盒内表面的粗糙度后发现,生长气压较高时铜盒内表面的粗糙度较低,更利于单晶石墨烯的生长。最终在20 min的生长时间内获得了直径到450μm的单晶石墨烯,这一尺寸能够满足大多数石墨烯晶体管的制备需求,并且相较于传统低压铜盒法有着更高的生长效率。另外还通过多物理场仿真和实验研究了生长阶段石英舟内混合气体流速场的分布情况以及石英舟内不同位置石墨烯的成核密度,发现在石英舟的底部混合气体流速较缓且成核密度较低。最终以给石英舟上加盖石英片的方式在石英舟底部获得了极低的成核密度,并通过60 min的生长在普通铜箔上合成了毫米级的单晶石墨烯。 2.设计了静态和动态两款太赫兹电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）超表面,在实现EIT的动态可调时采用了单层石墨烯与超表面金属结构相复合的设计。首先利用截断线（Cut Wire,CW）和开口环（Split Ring Resonator,SRR）两种明模谐振结构在中心频率处能够产生相干相消的现象提出了一种SRR环抱CW的静态EIT超表面结构。通过仿真和理论计算发现,当增大CW的间隙或减小SRR的间隙时可以削弱其中一种结构的谐振使相干相消更加彻底,提高EIT透明峰的幅度。在测试了不同结构参数的实验样品后证实了仿真分析的结果,其透明峰幅值最大可达到90%,产生的群延时为44.89 ps。其次,利用微纳工艺将金属结构与单层石墨烯相结合制备了动态可调的太赫兹EIT超表面。仿真和理论计算发现,通过改变石墨烯功函数进而改变石墨烯的电导率可以调控CW金属结构的谐振状态,从而调控EIT透明峰的幅度和太赫兹波的群速。在EIT的光调控实验中,随着飞秒泵浦光功率的增强,石墨烯电导率降低,EIT透明峰的幅度增加,结构的群延时增加。最后通过改变泵浦光脉冲和太赫兹波脉冲的延时时间测得两种金属-石墨烯复合超表面呈现出8 ps和11 ps的超快光调制特性。 3.由于石墨烯片阵列中存在场屏蔽效应,首先利用MAGIC软件仿真分析了垂直取向的石墨烯片阵列的场发射情况,发现当石墨烯片的间隔为自身高度的4倍时在固定面积上场发射电流最大。设计制备了还原氧化石墨烯片（Reduced Graphene Oxide Sheets,r GS）和碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）交叠分布的混合纸发射器。在对拥有不同厚度CNTs层混合纸的场发射测试中发现,当CNTs层厚度为5μm时混合纸中石墨烯片之间的场屏蔽最弱,印证了之前的仿真结果。还利用混合纸的场发射数据计算了石墨烯片顶端功函数由于肖特基效应产生了0.14e V的削减,证实了场强的改变对石墨烯顶端功函数的调控。当把r GS/CNTs混合纸卷成卷后,开启场可低至0.1 V/μm,最大发射电流密度超过2 A/cm2。最终将混合纸卷发射器封装为阴极制成场发射阴极荧光灯（Cathodoluminescent Lamp,CCL）后,可在110 V或220 V的家用电源下被驱动且无需变压器或其他外部电路。 4.针对石墨烯作为有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode,OLED）的阳极时存在转移后薄层电阻大和功函数低的问题,首先利用塑料边框辅助法减少了大面积单层石墨烯在转移过程中的破损,另外通过在PEDOT:PSS中加入二甲基亚砜和氟碳表面活性剂改善了普通PEDOT:PSS的浸润性和导电性,使得改进后的PEDOT:PSS可以均匀旋涂在石墨烯表面作为石墨烯的空穴注入层实现与上覆有机层更好的功函数匹配,最终旋涂有改进PEDOT:PSS的石墨烯阳极OLED被成功点亮,发光均匀性优于有着相同上

关键词： 生物传感器   石墨烯   场效应晶体管   DNAwalker   miRNA  

摘要： 癌症的高死亡率和发生机制的不明确性，凸显出癌症早期发现、诊断及实时检测的重要性，现有检测手段很难实现对癌症的早期检测。MicroRNA(miRNA)作为一种小的非编码RNA，有成为癌症非侵入性肿瘤标志物的潜力，针对miRNA进行检测有望实现对癌症的早期检测，所以对miRNA的高灵敏度检测尤为重要。为了对miRNA分子进行高灵敏度、高准确性、高通量、快速的检测分析，本文设计了一种基于高稳定全共价键全石墨烯场效应晶体管搭载DNAwalker扩增的生物传感器。研究在溶液相中以共价键驱动层层组装获得的氧化石墨烯薄膜在退火时晶格重组与电荷传输的内在联系，实现高性能石墨烯场效应晶体管的构筑;协同DNAwalker信号放大策略，实现在保证稳定性和不受德拜长度影响的情况下拥有较低的检测限。本论文的具体研究如下。　　1.以共价键为驱动力，使用不同偶联剂，通过层层自组装的方式获得层数可控、面积可控且具有不同层转电荷传输特性的还原氧化石墨烯薄膜。利用不同偶联剂构筑石墨烯薄膜电学性能不同的性质，分别用石墨烯薄膜充当源漏电极和半导体层，提高了器件性能和稳定性。对器件进行多次重复测试，证实其具有良好的稳定性，且器件性能优越，其空穴迁移率、电子迁移率分别可以达到1.71cm2/(V·s)和1.97cm2/(V·s)，开关比可以达到47821，适合用于生物检测。。　　2.金纳米粒子作为一种纳米材料，在构筑生物传感器时，可以通过合理构建生物识别层，优化生物分子的识别过程，进而增强生物传感器的检测性能，包括灵敏度、信号与噪声比以及稳定性等。利用上述高性能石墨烯场效应晶体管，用金纳米粒子将DNAwalker探针固定在器件表面，构筑基于石墨烯场效应晶体管与DNAwalker的生物传感器。　　3.协同石墨烯场效应晶体管和DNAwalker的信号放大作用，通过分析miRNA引入后晶体管迪拉克点的变化，获得具有双重信号放大的超高灵敏度生物传感器，检测限可以达到5.13×10-15M。同时由于该生物传感器基于碱基互补配对的精确性以及DNAwalker纳米机器能够进行类似机器的机械化反应，使信号在不断的反应中富集和放大，使得该生物传感器可以规避德拜长度的影响，并且有着良好的特异性。

关键词： 分散剂   碳纳米粒子   纳米炭黑   石墨烯   分散稳定机制  

摘要： 碳纳米粒子具有优异的导电性、导热性以及光学性能,然而大比表面积导致的团聚问题限制了其应用。解决团聚的一种有效方法是采用高效分散剂,本文分别通过改变锚固基、溶剂化链长以及密度等方法构建分散剂,研制出水性纳米炭黑分散剂、溶剂型石墨烯分散剂以及水性石墨烯分散剂,重点研究了分散剂结构对碳纳米粒子分散稳定性能的影响。本论文主要研究了如下内容: 1、SMA-MPEGA分散剂的合成及其对纳米炭黑的稳定机制研究 通过苯乙烯-马来酸酐(SMA)共聚物和甲氧基聚乙二醇胺(MPEGA)的酰胺偶联反应制备了不同侧链密度和长度的梳状分散剂(SMA-MPEGA)。通过分散剂结构与组成对纳米炭黑悬浮稳定分散行为影响规律的揭示,筛选出制备低粘度、高色强度纳米炭黑浆的高效分散剂:苯乙烯与马来酸酐的摩尔比为3:1、侧链PEG的分子量为1000的SMA3000-MPEGA1000;揭示出分散剂对炭黑纳米粒子稳定分散的作用机制:表面稳定吸附的分散剂起着空间和静电排斥效应。 2、不同芳环结构分散剂的合成及其对石墨烯分散行为的影响 分别通过酯化和酰胺化偶联反应成功制备出含有不同锚固基(苯、萘以及苝)的聚醚型分散剂(MDI-P、NDI-P以及PDA-P)。研究锚固基的类型对少层石墨烯在油性介质中稳定分散行为的影响规律,揭示苝稠环与少层石墨烯通过形成强π-π电子相互作用而获得最优异的稳定分散效果。以聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂获得导电性能优异的石墨烯涂层,这为石墨烯用于制备锂电电极导电剂奠定了基础。 3、不同亲水链结构苝系分散剂的合成及其对石墨烯的分散稳定机制研究 以苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PDA)为原料,引入苝(A)锚固基,甲氧基聚醚胺(PEA)(B)为亲水链段,研究AB、BAB型分散剂以及B的长度对少层石墨烯的水悬浮分散液的稳定性的影响规律,揭示AB型(以酰胺键偶联),且B分子量为2000时获得最优异的分散效果。探讨了这种AB型分散剂稳定分散的作用机制:不易自聚集成胶束,更易于与少层石墨烯(s GNP)形成强π-π电子相互作用,获得更强的锚固作用。这为研制石墨烯导电涂层材料的水性化提供了可能。

关键词： 聚酰亚胺   低介电常数   石墨烯   复合薄膜  

摘要： 聚酰亚胺(PI)的综合性能优异,但传统聚酰亚胺的介电性能已不能满足高频、高速环境的应用要求,必须进一步降低其介电常数。通过在PI中引入无机纳米材料,从而减少单位体积内极化分子的数目,不仅可以降低PI的介电常数,同时PI复合薄膜的其它性能也能得到改善,具有很高的研究意义。石墨烯(FG)具有良好的力学性能和优异的导电性能和导热性能,如果将FG和PI共同使用,可以发挥其协同效应,制备出高性能的FG/PI复合材料,可以广泛的应用于航空航天、化工和电磁等领域。本文以开发具有更低介电常数的PI复合材料为目标,首先通过FJH技术制备出FG,然后以FG为填料,将其加入到PI中,采用原位聚合法制备了一系列FG/PI复合薄膜,讨论FG添加量对PI复合薄膜性能的影响,同时对比不同来源的FG对PI复合薄膜性能对比,进一步研究结构与性能之间的构效关系。具体研究内容如下: 以市售炭黑(CB)和锂电池负极石墨(AC)为原料,通过FJH设备制备出CBFG和ACFG,并通过拉曼光谱分析,探讨了反应时间、反应电压、反应电阻对石墨烯品质的影响。结果证明:CB转化为CBFG的最佳反应时间150 ms、最佳反应电压为160V、反应电阻为5Ω,而AC转化为ACFG的最佳反应时间为150 ms、最佳反应电压为140 V、反应电阻为5Ω。 基于上述结论,进一步选用上述工作中表征最好的CBFG和ACFG,以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)为原料,FG为填料,KH550为偶联剂,采用原位聚合法制备了一系列FG/PI复合薄膜,讨论FG添加量对PI复合薄膜性能的影响。结果显示:当CBFG的添加量为0.75 wt%时,CBFG/PI的介电常数降到1.9,其弹性模量降至2.25 GPa,拉伸强度降至105.08 MPa,热学性能基本不变,PI复合薄膜变的更加疏水。当ACFG的添加量为0.25 wt%时,PI-A-0.25的介电常数降到最低值1.86,介电常数降低了46.85%,拉伸强度为253.09MPa,弹性模量为6.09 GPa,热学性能基本不变,ACFG/PI复合薄膜变的更加疏水。和CBFG/PI相比较,ACFG/PI的介电常数表现更低、力学性能表现更佳优秀。

关键词： 定向排列   还原氧化石墨烯   纳米复合材料   弹性模量  

摘要： 制造从环境中获取清洁和可持续能源的功能性混凝土是土木行业践行发展绿色能源的重要研究方向,这就要求我们对水泥材料的介电性能有着深入的研究。使用还原氧化石墨烯（rGO）作为水泥填料,不仅可以提高水泥复合材料的介电性能,并且可以提升水泥复合材料的力学性能。但是rGO水溶性较差,导致rGO对于水泥复合材料介电性能和力学性能的增强效果在水泥环境中难以完全发挥。因此,本文对rGO水泥复合材料介电性能和力学性能进行了深入研究,主要研究内容及工作如下: （1）本研究中首先使用热退火法制备了rGO,使用聚乙烯亚胺（PEI）对rGO进行亲水性改性,并且使用纳米四氧化三铁（Fe3O4 NPs）对rGO进行磁性改性,制备出良好水溶性与磁性的改性rGO。一方面,具有良好水溶性的rGO可以更好地发挥对于水泥复合材料介电性能与力学性能的增强功能。另一方面,具有良好磁性的rGO可以被磁场更好的控制空间取向,完成rGO在水泥基体中的定向排列,从rGO定向排列的角度提升水泥复合材料的介电性能与力学性能。并使用红外光谱、拉曼光谱和紫外-可见光光谱等测试方法对改性结果进行表征。 （2）结合磁场诱导完成对rGO在水泥样品中的定向排列,制备了定向排列的rGO水泥复合材料。通过水泥复合材料的弹性模量定性分析了rGO在水泥样品中的空间取向变化,通过偏振拉曼测试定量表征了rGO在水泥样品中的定向程度。 （3）通过抗折强度测试、抗压强度测试与微观测试的结果深入探究了rGO水泥复合材料的力学性能变化原因,分析改性rGO的掺入与rGO的定向排列对于水泥复合材料力学性能的影响机理。 （3）通过介电常数测试与介电损耗测试的结果深入探究了rGO水泥复合材料的介电性能变化的原因,分析改性rGO的掺入与rGO的定向排列对于水泥复合材料介电常数与介电损耗的影响机理。并且使用考虑间相的有效介质模型对rGO水泥复合材料的介电常数进行分析和计算,同样得出rGO的改性和定向排列提高了水泥复合材料介电常数的结论。 （4）从微观角度综合分析改性rGO的掺入与rGO的定向排列对水泥复合材料宏观介电性能和力学性能的影响。考虑间相影响并结合rGO空间取向系数对混合律进行修改,使用修改后的混合律解释并预测了水泥复合材料的弹性模量和介电常数的变化。

关键词： 锂离子电池   钠离子电池   过渡金属硫化物   负极材料   石墨烯   碳包覆  

摘要： 锂离子电池因其高能量密度、超长寿命而成为电动汽车和电网储能的主流储能系统。锂离子电池负极材料主要是石墨,具有稳定性高、导电性好、来源广等优点,但石墨负极比容量低,不能满足高性能负极材料的要求。此外,锂资源有限和提取成本高,也限制了锂离子电池在大规模储能系统中的应用和可持续发展。相比较之下,钠资源在地壳中分布均匀且非常丰富,提取成本低,因此钠离子电池作为锂离子电池的替代品在电能存储领域受到了广泛的关注。负极材料是锂/钠离子电池的重要组成部分并其对电池的性能参数有关键影响,因此探索高性能负极材料一直是研究热点。过渡金属硫化物由于具有较高的理论容量而被认为是锂/钠离子电池具有前景的电极材料之一。但缓慢的离子迁移和电子转移动力学导致其循环稳定性和速率性能较差。克服以上缺点的方法主要是纳米化、特殊结构设计、掺杂和碳材料包覆。 本文通过原位硫化法和水热法分别构建了由rGO包覆的铁锰基硫化物、铁锡基硫化物、铁基多硫化物等三种复合材料,并对其储锂/钠性能和机理进行了详细的研究和分析。主要研究内容和结果如下: （1）通过尿素辅助一锅水热法和高温热解法合成了rGO包覆的Mn S/Fe7S8@N-rGO的复合材料。SEM表明Mn S/Fe7S8颗粒为方块片状聚集体,单片厚度约100 nm;石墨烯为薄片状,平面平均尺寸约为50 nm,厚度约5 nm。电化学测试结果表明n(Mn2+):n(Fe3+)=1:1的Mn S/Fe7S8@N-rGO复合材料展现出最佳的电化学性能,在0.1 A g-1电流密度下首次充/放电比容量为666.2/854.3 m Ah g-1,经过100次循环后放电比容量为401.4 m Ah g-1。 （2）采用一步水热法和高温热解法制备具有三明治结构的rGO包覆的FeS/SnS@N-rGO复合材料。SEM表明FeS/SnS为3～5 nm的颗粒,被片状rGO包裹形成三明治结构。摩尔比n(Sn4+):n(Fe3+)=1:1的FeS/SnS@N-rGO复合材料也表现出最佳的电化学性能,在0.1 A g-1电流密度下首次充/放电比容量为818.6/1430.0 m Ah g-1,经过100次循环后放电比容量为594.5 m Ah g-1。 （3）以Fe-MOF衍生物为铁源,硫脲为硫化剂,通过水热法构建了由氮/硫掺杂及碳/rGO包覆的（N,S）-Fe7S8@C/rGO复合材料。该材料在0.1 A g-1条件下循环100次后,其锂离子半电池的放电容量达到825.7 m Ah g-1,远高于石墨的理论容量(372 m Ah g-1);其钠半电池的放电容量为369.1m Ah g-1,比硬碳279 m Ah g-1的高。与以上两个复合材料相比,该材料表现出最高的比容量和最好的循环稳定性。