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1 第 39 卷第 1 期西南大学学报 ( 自然科学版 ) 2017 年 1 月 Vol.39 No.1 JournalofSouthwestUniversity (NaturalScienceEdition) Jan DOI: /j.cnki.xdzk NiSe2 的合成制备及其电化学性能 陈斌, 李尔沙, 冯鹏元, 彭泽平 西南大学物理科学与技术学院, 重庆 摘要 : 采用溶剂热法在一缩二乙二醇 (C4H10O3) 中一步合成二硒化镍纳米材料, 反应中添加十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 为表面活性剂. 利用 X 射线衍射仪 (XRD) 场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 能谱仪 (EDS) 和拉曼光谱对产物进行了表征, 利用电化学工作站对其电化学性能进行测试. 结果表明, 形貌规则的多面体和树枝状的产物被成功合成制备. 通过控制镍硒比 (n(ni) n(se)) 反应时间和反应温度以合成不同形貌的二硒化镍. 关键词 : 溶剂热合成 ; 二硒化镍 ; 八面体中图分类号 :O612.6 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) Ni(3d 8 4s 2 [1] ) 自身的价电子排布使其能形成具有优异导电性的材料. 而 Ni 与 Se 在电负性上的微小差 [2] 异, 使 Ni 与 Se 可以形成种类繁多的硒化镍化合物. 研究结果表明, 在常温下, 硒化镍化合物有 3 种稳定 [3] [4-6] 的相 :NiSe2,Ni1-xSe(x=0~0.15),Ni3Se2. 硒化镍化合物具有良好的电学和磁学性质, 这引起了人 们极大的研究兴趣. 在过去的几十年, 人们将大量的时间和精力投入到硒化镍化合物的研究之中 [7-9], 已经 [10] [11] [12] [13] 尝试了用多种方法制备硒化镍化合物, 包括固相合成 分子前体 直接元素反应 超声合成和 [14] [3,15-20] [21] 机械合金化. 不同形貌和结构特征的硒化镍化合物被制备出来, 并被运用到电导 太阳能电 [9] [4] [6] 池 锂离子电池和能量存储等领域. [16] YUANBX 等人在实验中改变油胺与 1 十八烷烯的物质的量之比得到不同晶体结构的 NiSe2; [20] ZHANG W B 等人以 NiCl2 6H2O 和 Se 粉为原料, 在反应釜中经高温高压反应得到了形貌规则的八面 体 NiSe2, 从实验和理论两方面研究了 NiSe2 的性质, 给出了 NiSe2 的不同形貌模型 ;ZHANG G Q 等 [22] 人在 EG 溶液中加入 0.6g 表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮 (PVP), 利用柯肯达尔效应诱导合成中空球形的 硒化镍化合物, 并对硒化镍相应的性质进行了研究. 然而, 这些合成方法条件苛刻, 要么溶剂毒性大, 要么 设备专业化太强, 局限性明显. 目前, 溶剂热法合成硒化镍化合物因其设备简单, 原材料易得, 操作安全, 溶剂毒性低, 环境污染小, 而得到广泛应用. 在此背景下, 本研究使用一缩二乙二醇 (DEG) 为溶剂, 改变 Ni 与 Se 的原料配比 反应温度和反应时间, 制备出了不同形貌的硒化镍半导体纳米材料, 运用场发射扫 描电子显微镜 (FESEM) X 射线衍射仪 (XRD) 的拉曼光谱对所得产物进行表征, 利用能谱仪 (EDS) 分析产 [23] 物的成分, 利用电化学工作站测试了其性能. 1 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金青年项目 ( ); 西南大学博士基金 (SWU111010). 作者简介 : 陈斌 (1989 ), 男, 湖北安陆人, 硕士研究生, 主要从事过渡金属二硫化物方面的研究. 通信作者 : 彭泽平, 副研究员.

2 2 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.edu.cn 第 39 卷 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 六水合氯化镍 (NiCl2 6H2O, 分析纯 ); 二氧化硒 (SeO2, 化学纯 ); 十六烷基三甲基溴化铵 (C19H42BrN, 分析纯 ); 聚乙烯吡咯烷酮 (K-30,(C6H9NO)n); 一缩二乙二醇 (C4H10O3, 化学纯 ); 氢氧化钠 (NaOH, 分 析纯 ). 以上试剂均购自上海国药试剂厂, 反应之前未经进一步提纯. 数显智能控温磁力搅拌器 ( 巩义市予华仪器有限责任公司,SZCL-2); 场发射扫描电子显微镜 (FESEM,JEOL,JSM-7100F);X 射线衍射仪 (XRD, 岛津 XRD-7000);LabRAM ARAMIS 型拉曼光谱仪 (HoribaJobinYvon 公司 ); 电化学工作站 (CHI660D, 上海辰华仪器公司 ) 1.2 样品制备 将 0.237gNiCl2 6H2O 和 gSeO2 加入到 25 ml 三颈圆底烧瓶中, 再加入 10 mldeg 配 制成混合溶液. 将三颈圆底烧瓶放在磁力搅拌器上, 常温搅拌 30min 之后开始加热, 令溶液温度在 210 保持 2h 后停止加热, 继续搅拌溶液直至其冷却至室温. 把冷却后的溶液依次转入离心管, 在离心机上以 14800r/min 的转速离心 2min 得到产物. 用无水乙醇将产物离心洗净. 1.3 SEM,XRD 及拉曼光谱表征 采用日本电子株式会社 JSM-7100F 型场发射电子扫描显微镜 (FESEM) 观察样品的形貌 ; 采用英国 Oxford 能谱仪测量样品的组成成分 ; 采用日本岛津 XRD-7000 型 X 射线衍射仪 (XRD) 对产品进行形貌和结构分析, 测试条件为 : 靶电压 40kV, 靶电流 30 ma,cukα 辐射,λ= nm, 采样间隔 0.02, 扫描范围 20~70, 扫描速度 2 /min, 用连续扫描方式收集数据. 室温拉曼光谱测试的激发波长为 633nm, 激光功率是 0.34mW, 实验使用 100 倍的物镜, 采集数据积 分时间为 30s. 1.4 电化学性能测试 采用三电极体系在 6mol/LKOH 溶液中对样品进行循环伏安 恒流充放电测试. 活性物质电极 铂 电极 Ag/AgCl 电极分别作为工作电极 对电极和参比电极. 工作电极的制备方法为 : 将质量分数为 80% 的活性物质 (NiSe2) 10% 的炭黑和 10% 的聚偏氟乙烯树脂 (PVDF) 均匀混合, 加入适量的氮甲基 吡咯烷铜 (NMP), 在磁力搅拌器上搅拌 12h, 然后将混合好的活性物质均匀涂敷在不锈钢片上, 并在恒 温干燥鼓风箱中于 60 干燥 24h. 剪取 1cm 2 含有活性物质的不锈钢片作为工作电极 ( 每一个工作电极 的活性物质的质量控制在约 1 mg), 循环伏安和恒流充放电测试在 CHI660D 电化学工作站上进行, 循 环伏安区间电位为 0.1~0.5V(vsAg/AgCl 电极 ), 扫速为 50mV/S, 恒流充电电流密度为 3A/g, 恒流 放电的电流密度分别为 0.01,0.05,0.1,1,4A/g. 2 结果与讨论 2.1 产物的 SEM,XRD,EDS 及拉曼光谱分析 图 1(a) 是 NiSe2 产物的 SEM 图, 可以看出产物为大小均一的多面体, 直径约为 1.1μm, 由大小不 一的多面体相互堆积而成. 图 1(b) 是该 NiSe2 产物的 XRD 图谱. 对衍射峰进行标定, 发现产物为立方晶 系, 并且是纯相 无杂峰的, 与 NiSe2(JCPDS ) 相吻合 ; 衍射峰峰形尖锐, 峰强度较高, 说明产物 的结晶度高. 图 1(c) 的能谱图表明该产物中只含有 Ni 和 Se 两种元素, 无其他杂质. 图 1(d) 是 NiSe2 产 物所对应的室温拉曼光谱图, 只观察到 214cm -1 处的拉曼峰. 黄铁矿型立方结构的 NiSe2, 通常有 5 个 振动模式 (Ag+Eg+3Tg), 由于 Ni 原子处于体系的反转中心, 因此只有 Se Se 原子对具有拉曼振动活 性.214cm -1 [18] 拉曼峰属于 Se Se 的 Ag 振动模式, 与文献报道一致.

3 第 1 期陈斌, 等 :NiSe2 的合成制备及其电化学性能 3 图 1 样品的 SEM,XRD,EDS 及拉曼光谱 2.2 镍硒比 (n(ni) n(se)) 对产物形貌的影响 在 NiSe2 的典型制备条件下, 将反应时间设为 3h, 调整镍硒比, 合成制备出不同形貌的 NiSe2. 图 2(e) 是 不同镍硒比值下产物的 XRD 图谱, 可以看出, 当 n(ni) n(se) 为 0.5 时, 有许多杂质衍射峰, 该条件下对应 的产物 SEM 图 ( 图 2(a)) 显示, 产物的形貌 大小不均一, 同时混杂着一维棒状结构 ; 当 n(ni) n(se) 的值为 1.2,1.5,2 时, 产物的 XRD 图谱只有 23.5 的杂质衍射峰, 对照 Se(JCPDS ), 推断杂峰为硒 (400) 峰, 此 3 种情况下所得产物的 SEM 图 ( 图 2(b)-(d)) 显示, 产物的形貌由表面光滑的多面体经粗糙的球体, 过渡 到树枝状. 据此可知,NiSe2 的形貌及晶相对反应物原料的配比比较敏感, 改变 n(ni) n(se) 的比值, 可以得 到不同形貌 晶相的 NiSe2 化合物. 在 NiSe2 的典型制备条件下, 反应时间定为 1h, 对比 210 和 240 时所得产物. 反应温度为 210 时, 产物主要为球形 ( 图 3(a)), 直径 1~2μm, 这与图 2c 中产物相近. 当反应温度为 240 时, 有较多的 [16] 树枝状出现 ( 图 3(b)), 形状规则. 较高的反应温度有利于热力学稳定相的形成. 树枝状具有确定的规则 形状, 而球形是由许多多面体的棱角堆积而成, 热力学性质很不稳定, 在高温下转变为树枝状. 2.3 表面活性剂对产物形貌的影响 液相合成无机纳米材料, 表面活性剂对化合物的合成具有抗粘作用, 这改变了化合物表面原有的生长 速率, 导致不同形貌的产物生成. 实验中, 可以通过改变表面活性剂的种类与用量来有效调控 NiSe2 的形 貌和大小. 反应温度为 240, 反应时间为 2h 的 NiSe2 的典型制备条件下, 依次添加零表面活性剂 0.1g PVP 0.1g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB). 实验得到如图 4(a)-(c) 中所示形貌的产物, 产物形貌分别是 多面体 类球体和树枝状. 实验结果很好地印证了表面活性剂对产物形貌的影响. 在众多的表面活性剂中,PVP 以其优异独特的性能, 广泛应用于金属 半导体纳米材料等的合成中. 如图 5 所示, 仅改变 PVP 的剂量可以得到不同尺寸大小的 NiSe2 产物. 当加入 0.1gPVP 时, 八面体的大

4 4 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.edu.cn 第 39 卷 小在 400~600nm 之间 ( 图 5(a)); 而加入 0.5gPVP 时, 尺寸大小集中在 500nm 左右 ( 图 5(b)).PVP 很 好地发挥了其对离子的抗粘作用. 图 2 不同 n(ni) n(se) 比所得产物的 SEM 图及其 XRD 图谱 2.4 反应时间对产物的影响在 NiSe2 的典型制备条件下, 仅改变反应时间, 考察不同反应时间对产物的影响. 当反应时间为 4h 时, 产物中有片状 棒状等形貌 ( 图 6(a)); 其 XRD 图谱 ( 图 6(d) 曲线 a) 中含有杂峰, 峰值较低, 此时的产物纯度不高 ; 反应时间为 8h 时, 产物为大小近似相同的多面体 ( 图 6(b)); 继续延长反应时间至 14h, 产物主要是八面体, 大小较为均一 ( 图 6(c)). 可以看出, 随着反应时间的延长, 杂质峰减少, 且峰值增高, 此时 NiSe2 的纯度较高 ( 图 6(d) 曲线 b,c). 按照吉布斯乌尔夫原理, 在同样条件下, 晶体的各个面常常以不同速率生长, 生长速率快的面倾向于消失. 立方相 NiSe2 的晶面离子密度从大到小依次为 :{111},{100}, {110}, 各晶面的生长速度从小到大的次序为 :γ{111},γ{100},γ{110}. 因此, 生长速率最快的 (110) 面最先消失, 在其减小的过程中, 与 (111),(100) 面共同构成图 6(b) 中的多面体.(100) 面消失后, 生长速率最

5 第1期 陈 斌,等:Ni Se2 的合成制备及其电化学性能 5 慢的( 111)面保留下来,形成图 6( c)中的八面体. 图 3 不同反应温度下所得产物的 SEM 图 图 4 不同表面活性剂作用下所得产物的 SEM 图以及 CTAB 和 PVP 的分子式结构图 2.5 反应机理 Ni Se2 化合物形成过程中涉及到的主要的化学式为: SeO2 + HOCH2CH2OCH2CH2OH Se+ OHCCH2OCH2CHO+2H2O 3Se+6OH- 2Se2- +SeO32- +3H2O ( 1) ( 2) ( Ni +Se +Se Ni Se2 3) 从实验可以推断,随着反应时间的延长或是反应温度的升高,最终的产物形貌倾向于生成八面体或是 树枝状,其生长机理可用图 7 表述.

6 6 西南大学学报(自然科学版) //xbb h t t b.swu.edu.cn p: j 第 39 卷 图 5 不同 PVP 的量对反应物形貌影响的 SEM 图 图 6 不同反应时间所得产物的 SEM 图 在合成制备 Ni Se2 的过程中,SeO2 首先 在 高 温 下 被 DEG 还 原 为 Se(化 学 式( 1)).由 于 反 应 条 件 的 不 同,所还原得到的 Se的形貌也不同,主要是球形 一维纳 米 线 或 纳 米 管.当 Se 微 纳 米 球 生 成 时,以 Se 颗 粒为球心,Ni2+ 附着 其 上 形 成 硒 化 镍 纳 米 晶 体 (图 7( a)过 程 1),中 间 过 量 未 反 应 的 Se 转 变 为 Se2- 和 SeO32- 溶于溶液中(图 7( a)过程 2 和化学式( 2)),硒化镍纳米晶体进一步反应生成多面体形硒化镍化合物 (图7( a)过程3 和化学式( 3)).随着反应的继续,物质结构自我调节以使其表面自由能更小而生成八面体产 物(图 7( a)过程 4). 若改变反应的初始条件,例如当反应温度为 240 时,SeO2 反应可生成棒状结构的 Se(图 7( b)),se 与 Ni2+ 反应生成 Ni Se2 团聚成颗粒附着在 Se棒上(图 7( b)过 程 1),随 着 反 应 的 继 续,颗 粒 逐 渐 转 变 为 树

7 第 1 期陈斌, 等 :NiSe2 的合成制备及其电化学性能 7 枝结构的分支 ( 图 7(b) 过程 2), 最后生成了树枝状的化合物 ( 图 7(b) 过程 3). 2.6 电化学性能 图 7 NiSe2 化合物形成机制示意图 由于 Se 具有多种价态, 如 Se 0,Se 2-,Se 4+ 和 Se 6+, 而 Ni 则有 Ni 0,Ni 2+ 价态, 因此硒化镍化合物的电 极反应比较复杂. 图 8(a) 是 NiSe2 产物采用三电极体系在碱性溶液中测得的循环伏安曲线. 循环伏安区间 电位为 0.1~0.5V( 相对于 Ag/AgCl 电极 ), 扫速为 50mV/s. 如图 8(a) 所示, 循环伏安曲线中出现了一对 典型的氧化还原峰,0.355V 对应的是氧化峰,0.265V 对应的是还原峰, 这对应于典型的法拉第赝电容曲 线特性. 二硒化镍的可逆电化学反应为 : NiSe2 + OH - NiSe2OH+e - 图 8(b) 是样品的恒电流充放电曲线, 通过公式 C= IΔt mδu ( I(mA) 为放电电流,Δt(s) 为放电时间,ΔV (V) 为放电时电压的变化,m(mg) 是活性物质的质量 ) 可以计算出, 产物在电流密度为 4.0A/g 时的电容 值为 40.0F/g, 说明产物具有一定的电容特性. 图 8 产物的循环伏安曲线和恒电流充放电曲线

8 8 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.edu.cn 第 39 卷 3 结论 实验以 NiCl2 6H2O SeO2 为 Ni 源和 Se 源, 使用溶剂热法在 DEG 中一步合成制备了粒径为 400~ 500nm 的八面体 直径 1.1μm 左右的多面体 长度 4μm 左右的树枝状等形貌的硒化镍化合物. 用 SEM, XRD 及拉曼光谱对产物进行了表征, 同时用 EDS 测定了产物的元素. 实验发现, 反应时间 反应温度 表面活性剂的使用 镍硒比均对产物形貌有重大影响. 实验还探究了硒化镍化合物的生成机制, 反应过程中先生成 Se 球或棒状 Se, 然后生成硒化镍纳米晶体, 进一步反应生成 NiSe2. 测试了 NiSe2 产物的电化学性能, 表明其具有典型的赝电势电容器特性. 参考文献 : [1] 杨彩凤, 秦丽溶, 赵建伟, 等. 泡沫镍负载 Cu/CuO 微纳结构的制备及其对抗坏血酸的检测研究 [J]. 西南大学学报 ( 自然科学版 ),2015,37(5): [2] WANG W Z,GEN G Y,YANP,etal.A NovelMildRoutetoNanocrystalineSelenidesatRoom Temperature[J].J Am ChemSoc,1999,121(6): [3] ZHUANGZB,PENG Q,ZHUANGJ,etal.Controled HydrothermalSynthesisandStructuralCharacterizationofa NickelSelenideSeries[J].Chemistry,2006,12(1): [4] MIL W,SUN H,DINGQ,etal.3D HierarchicalyPaternedTubularNiSewithNano-/MicrostructuresforLiIonBatteryDesign [J].DaltonTransactions,2012,41(40): [5] PAPKEBL,TUTUNJIANPN.Applicationsof 13 C NMRtoPredictLow TemperatureViscosityPerformanceofBase Oils[J].Tribotest,2006,12(3): [6] XUE M Z,FuZ W.Lithium ElectrochemistryofNiSe2:A New KindofStorageEnergyMaterial[J].Electrochemistry Communications,2006,8(2): [7] HANZ H,YUSH,LIYP,etal.ConvenientSolvothermalSynthesisandPhaseControlofNickelSelenideswithDifferentMorphologies[J].Chem Mater,1999,11(9): [8] FAN H,ZHANG M F,ZHANG X W,etal.HydrothermalGrowthofNiSe2 TubularMicrocrystalsAssistedbyPVA [J].JCrystGrowth,2009,311(20): [9] GONGF,XU X,LIZQ,etal.NiSe2asanEficientElectrocatalystforaPt-FreeCounterElectrodeofDye-Sensitized SolarCels[J].Chem Commun,2013,49(14): [10]PARKINIP.SolidState MetathesisReactionFor MetalBorides,Silicides,PnictidesandChalcogenides:IonicorElementalPathways[J].ChemSocRev,1996,25(3): [11]BRENNANJG,SIEGRIST T,KWON Y U,etal.Steigerwald Ni23Se12(PEt3) 13.AnIntramolecularIntergrowthof NiSeandNi[J].JAM CHEM SOC,1992,114(26): [12]DUSASTRE V,OMARB,PARKINIP,etal.Convenient,Room-Temperature,Amine-AssistedRoutestoMetalSulfides,SelenidesandTelurides[J].JChemSoc,DaltonTrans,1997,231(19): [13]GEJP,LIYD.UltrasonicSynthesisofNanocrystalsofMetalSelenidesandTelurides[J].JMateChem,2003,13(4): [14]CAMPOSCE M,deLIMAJC,GRANDIT A,etal.NucleationandGrowthofNanocrystalinePyriteNickelDiselenideby MechanicalAloying [J].SolidStateCommunications,2003,128(6/7): [15]CHENSG,ZENG K,SONG Y D,etal.SystematicalShapeEvolutionofHexagonalNiSeCrystalsCausedby Mixed SolventsandAmmonium Chloride[J].JCrystGrowth,2012,358: [16]YUANBX,LUAN W L,TUST.One-StepSolvothermalSynthesisofNickelSelenideSeries:Compositionand MorphologyControl[J].CrystEngComm,2012,14(6): [17]SHIW D,ZHANG X,CHEGB.HydrothermalSynthesisandElectrochemicalHydrogenStoragePerformanceofPorousHolow NiSeNanospheres[J].IntJHydrogenEnerg,2013,38(17): [18]LIJ,JINZG,LIU T,etal.ChemicalSynthesisofMSe2(M=Ni,Fe)ParticlesbyTriethyleneGlycolSolutionProcess

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10 10 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.edu.cn 第 39 卷

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