【摘要】：發(fā)展電力驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料以及開發(fā)利用新能源是目前人類應(yīng)對(duì)環(huán)境與能源問題的有效解決途徑。其中,高能量密度的鋰離子電池與光催化產(chǎn)氫的研究一直備受關(guān)注。鎳基化合物由于具有高的比容量、良好的催化性能、原料成本低及合成制備簡單等優(yōu)點(diǎn),在鋰離子電池負(fù)極材料以及取代貴金屬助催劑方面有重要的應(yīng)用前景�；诖�,本論文以鎳基納米材料為核心,主要研究了金屬鎳及鎳基氧、硫化合物的可控制備,并將一維Ni/NiO納米線和二維NiO納米片應(yīng)于鋰離子電池中,通過Ni的摻雜和NiO二維結(jié)構(gòu)的多孔化改善了氧化鎳電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和首次庫倫效率;同時(shí),通過Ni_3S_2的負(fù)載極大的增強(qiáng)了CdS半導(dǎo)體的光催化性能,使Ni_3S_2/CdS的光催化產(chǎn)氫速率提高了近70倍。具體的研究成果如下:(1)利用化學(xué)還原與磁力組裝相結(jié)合的方法制備了具有分等級(jí)結(jié)構(gòu)的一維Ni納米線。Ni線的長徑比高達(dá)200,其表面的鎳刺長達(dá)500-800 nm。通過調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)發(fā)現(xiàn)Ni一維結(jié)構(gòu)的形成為磁力誘導(dǎo)與反應(yīng)速率共同作用的結(jié)果,并闡明了其生長機(jī)理為Ni晶核沿著磁力線的定向組裝過程,同時(shí)晶粒間磁偶極子的相互作用促使顆粒緊密排布,最終得到結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定的一維Ni納米線。Ni納米線的磁化行為受形狀各向異性與靜磁相互作用共同的影響;由于表面的分等級(jí)結(jié)構(gòu)降低了自旋無序,Ni納米線的飽和磁化強(qiáng)度為61.3 emu/g,這是目前報(bào)導(dǎo)的鎳納米結(jié)構(gòu)的最大值。(2)基于柯肯達(dá)爾效應(yīng)和表面擴(kuò)散機(jī)制將一維Ni納米線氧化制得了NiO納米中空管。通過控制氧化時(shí)間在500℃下制備了Ni/NiO原位復(fù)合納米材料,由于Ni提高了材料的導(dǎo)電性和首次反應(yīng)進(jìn)度,Ni/NiO(3 at%Ni)復(fù)合材料的首次庫倫效率為72%,高于純NiO的65%;在143.6 mAg~(-1)的電流密度下循環(huán)100次后容量為439.6 mAh g~(-1),高于NiO材料的213 mAh g~(-1);可逆容量保持率為31.7%。隨著Ni含量的增加,Ni/NiO(9 at%Ni)的初始放電容量減少,首次庫倫效率降低(65%),但是充放電性能變好,100次循環(huán)后容量為481.1 mAh g~(-1),可逆容量保持率為104.7%。(3)通過一步水熱及高溫?zé)岱纸馇膀?qū)體法合成了具有六邊形結(jié)構(gòu)的多孔NiO納米片。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)堿的選擇以及濃度、溫度的調(diào)控是得到片狀Ni(OH)_2前驅(qū)體的關(guān)鍵。隨著退火溫度(300℃、500℃、700℃)的升高,NiO納米片的結(jié)晶度提高,孔徑尺寸變大,BET比表面積減小,這些因素的綜合作用使500℃退火下得到的NiO-500納米片表現(xiàn)出最高的首次庫倫效率和最優(yōu)的循環(huán)性能和倍率性能。(4)首次制得了具有增強(qiáng)光催化活性的Ni_3S_2/CdS復(fù)合催化劑,在復(fù)合結(jié)構(gòu)中CdS納米顆粒與Ni_3S_2之間形成緊密的異質(zhì)結(jié),具有優(yōu)異的促光生載流子分離和轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。與純CdS相比,Ni_3S_2/CdS的光催化產(chǎn)氫速率提高了近70倍,并高于1 wt%Pt/CdS的催化活性(1.4倍)。在400 nm處其表觀量子效率達(dá)到12.3%,并且長時(shí)間和多次催化測試后,樣品未出現(xiàn)明顯活性衰減,表明Ni_3S_2/CdS復(fù)合催化劑具有很好的穩(wěn)定性。
【圖文】：

第一章 緒論1.2 鎳基納米材料的制備方法1.2.1 引言鎳是一種重要工業(yè)原料，在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位；作為一種鐵磁性金屬，鎳的地殼儲(chǔ)量豐富具有非常好的抗腐蝕性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在國防、工業(yè)、機(jī)械制造等方面都具有非常重要的應(yīng)用。鎳基納米材料包括納米鎳、氧化鎳、氫氧化鎳以及硫化鎳等，鎳基納米材料的原料來源非常豐富而且合成制備較為簡便，由于具有優(yōu)異的磁性能、儲(chǔ)能優(yōu)勢、催化性能和傳感性能等，鎳基納米材料在磁存儲(chǔ)、微波吸收、超級(jí)電容器、鋰離子電池、加氫催化以及氣體傳感器等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用潛力[14]，如圖 1-1 所示。

實(shí)現(xiàn)了從簡單結(jié)構(gòu)（零維顆粒）到復(fù)雜結(jié)構(gòu)（一維核殼、多級(jí)結(jié)構(gòu)），單一成分到異質(zhì)成分，，簡單性質(zhì)到器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。近幾十年來，各種各樣形貌的納米鎳的制備和應(yīng)用不斷被創(chuàng)新。主要的制備方法可歸納為以下幾種。（1）溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是通過將金屬醇鹽或無機(jī)鹽溶解在有機(jī)溶劑中，經(jīng)過水解-聚合反應(yīng)后形成均勻的溶膠，然后進(jìn)一步反應(yīng)使溶膠失去大部分有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)化為凝膠，再通過熱處理去除有機(jī)分子最終得到納米粉體的過程。1989 年 Chatterjee 等[16]首次利用溶膠-凝膠法，制得了在鎳的有機(jī)復(fù)合體中粒徑尺寸在 5~11 nm 的鎳顆粒。此后，臺(tái)灣的 Chen 等學(xué)者[17]以及印度的 Ojha 等學(xué)者[18]分別使用聚丙烯酸和乙醇酸為絡(luò)合劑，通過溶膠-凝膠法制備了 NiFe2O4納米顆粒。除此之外，臺(tái)灣清華大學(xué)的學(xué)者采用氧化丙烯為絡(luò)合劑，通過溶膠-凝膠法制備了 Ni-Co-O 納米顆粒[19]。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2696478