【摘要】：隨著環(huán)境污染和能源危機問題不斷加劇,人類對環(huán)境友好型的吸附材料和高效儲能材料的需求日益增加。層狀雙金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxides,簡稱LDH),是一種由不同金屬基氫氧化物組成的具有層狀微觀結構的粘土類材料,由于其獨特的層狀結構、層板金屬離子可調和層間陰離子可交換的特性,使LDH在催化、藥物傳載、污染物吸附、電化學等許多領域得到廣泛應用。鑒于NiCo-LDH易于制備、比表面積較大、氧化還原活性高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點,本文以NiCo-LDH為研究對象,通過水熱法制備了NiCo-LDH三維花狀微球及NiCo-LDH/Ag納米線、NiCo-LDH/石墨烯(Gr)兩類復合材料,采用多種微觀分析與檢測手段,對樣品的結構、表面形貌、成分、比表面積、孔徑等進行了表征,較系統(tǒng)和深入地研究了吸附有機染料甲基橙(MO)及電化學性能,并將納米復合電極組裝為非對稱超級電容器(ASC),研究其電化學性能與實際應用情況。主要研究結果如下:(1)通過簡便環(huán)保的水熱法,利用六次甲基四胺(HMT)的水解作用,合成了不同Ni/Co比例的三維花狀NiCo-NO_3-LDH微球。發(fā)現(xiàn):花狀NiCo-LDH微球的直和納米片厚度分別為5-6μm和~25 nm。(2)研究了Ni/Co比、pH、溫度及溶液濃度對NiCo-LDH花狀微球MO吸附性能的影響,對吸附等溫線、熱力學、動力學模型和吸附機理進行了分析,發(fā)現(xiàn):在Ni/Co=1:1、pH~7和高溫(15-55℃)環(huán)境下,NiCo-LDH吸附MO的性能最佳。Ni_1Co_1-LDH微球的花狀多孔的結構,使其吸附平衡時間縮短至5-50 min,最大MO理論吸附量高達497 mg g~(-1),明顯高于傳統(tǒng)吸附劑和塊狀LDH材料。其中,吸附過程主要是受化學反應控制的單層吸附;吸附主要來源于LDH的表面吸附和陰離子交換的協(xié)同作用。(3)采用溶劑熱法制備了高長徑比的Ag納米線(長幾微米,直徑約100 nm);并用浸漬提拉法將其附著于泡沫鎳(NF)基底上;最后通過水熱法在其表面生長NiCo-Br-LDH納米片,制得NiCo-LDH/Ag/NF電極。發(fā)現(xiàn):Ag納米線的摻入,使LDH納米片的厚度減薄(~30 nm減小至~15 nm),電荷傳輸速率加快和電化學反應活性位點增加,從而使NiCo-LDH/Ag/NF復合電極的比電容(5 A g~(-1)時,高達2920.6F g~(-1),約為NiCo-LDH電極的1.4倍)、倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性(2000次循環(huán)后,保持率89.8%)得到明顯改善。此外,以NiCo-LDH/Ag/NF為正極和活性炭(AC)為負極材料構建的非對稱電容器,具有高功率密度、能量密度(800 W kg~(-1)時,42.9 Wh kg~(-1))及良好的電化學穩(wěn)定性。用此電容器充電1 min可將綠光LED點亮超過3 min,具有潛在的實用價值。(4)采用化學氣相沉積法(CVD),在泡沫鎳基底上,生長了不同形貌的Gr(薄膜GF和納米墻GW)。采用水熱法分別在NF、GF/NF和GW/NF基底上生長NiCo-LDH納米片陣列,獲得了三維多孔的NiCo-LDH/NF,NiCo-LDH/GF/NF和NiCo-LDH/GW/NF復合電極。(5)由于導電性、孔隙、比表面積的改善,NiCo-LDH/GF/NF復合電極展現(xiàn)出最優(yōu)的電化學性能,其最大比電容高達2690 F g~(-1)(5 A g~(-1)),約是NiCo-LDH/NF(2116.7 F g~(-1))的1.3倍和NiCo-LDH/GW/NF(2236.9 F g~(-1))的1.2倍,且其倍率特性(30 A g~(-1),比電容仍為1584 F g~(-1))和循環(huán)穩(wěn)定性較高。此外,以NiCo-LDH/GF/NF為正極,活性炭(AC)為負極材料制得的NiCo-LDH/GF//AC非對稱電容器,具有高的功率密度、能量密度(800 W kg~(-1)時,50.2 Wh kg~(-1))及良好的電化學穩(wěn)定性。本文通過簡單的水熱法合成了NiCo-LDH及其納米復合材料,并初步探討了其在污染物吸附及超級電容器方面的應用。這些研究結果為制備LDH基的高效吸附劑和新型高性能儲能器件及拓寬LDH的應用等方面提供了重要的參考價值。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM53;TB33;O647.33
【圖文】：

重慶大學碩士學位論文對于 LDH 的形成機理，一般認為是同晶取代后，晶體結構不發(fā)生變化，形成與水鎂石 Mg(OH)2類似的單元層，而不同單元層通過氫鍵連接形成層狀結構。其中，同晶取代是指層中羥基八面體中心配位的部分二價陽離子被三價陽離子同晶取代。一般認為，二價與三價金屬陽離子的半徑越相近，越易發(fā)生同晶取代，形成穩(wěn)定的層板結構。為了維持電中性，陰離子位于層與層的通道中，并與層板間通過靜電引力與氫鍵的作用相互連接形成穩(wěn)定的類水滑石結構。

1.3.2 LDH 在水體污染治理中的研究現(xiàn)狀LDH 因其比表面積大、陰離子交換性、“記憶”效應、結構可控等特性，在染物的吸附方面展現(xiàn)出極大的潛力，有望成為一種新型、高效環(huán)保的吸附劑。前，LDH 作為吸附劑可以被用于去除陰離子型有機染料、含氧陰離子(如 PO4-)重金屬離子[9](如 Pb、As、Cr)等。一般來說，LDH 從水溶液中去除污染物的機制可分為三種：(1)表面吸附：及污染物對 LDH 表面的粘附，可能形成分子或原子膜；(2)層間陰離子交換：離子交換過程主要受層間陰離子和層電荷密度的影響。如圖 1.2，Ling 等[10]報道CoFe-LDH 吸附甲基橙(MO)的過程主要是 CoFe-LDH 的外表面吸附和層間陰離交換協(xié)同作用的結果。Darmograi[8]等用 MgAl-LDH 吸附偶氮結構的 MO、橙黃和橙黃 G 染料，也報道了相應協(xié)同作用的吸附機理。(3)“記憶”效應重建焙燒LDH 前體：如圖 1.3，Ni 等[11]報道了煅燒得到的 ZnAl-LDO 不僅有大的比表面增強表面吸附，還擁有層狀結構記憶效應，在水溶液中重組層狀 LDO 結構再通陰離子污染物的插層恢復 LDH 前驅體，吸附廢水中的 MO 染料。

在過去的幾年中，有許多文獻報道了各種提高 LDH 吸附性能的方法。Zaghouane-Boudiaf 等[12]提出 Ni 摻入到 MgAl-LDH 中組成三元的 MgNiAl-LDH，可以增強 MO 的吸附性能；Li 等[13]發(fā)現(xiàn)了不同陰離子插層的 MgAl-LDH 吸附能力不同，其中陰離子吸附性能強弱順序為 Cl->NO3->CO32-。也有通過優(yōu)化 LDH 的微觀形貌來提高吸附性能的。如 Li 等[7]合成了類球狀的 ZnAl-LDO，它對 MO 染料的吸附量達 248.34 mg g-1。Zheng 等[14]報道的三元 ZnMgAl-LDH 微球的 MO 吸附量可高達 883.24 mg g-1；Lv 等[15]合成的 LDH 納米管不僅有好的 MO 吸附效果(當MO 濃度為 900 mg L-1時，吸附量高達 1130 mg g-1)還具有良好的重復利用性(循環(huán)三次后，吸附率仍能達到 90.02%)。另外，氧化石墨烯(GO)與 NiAl-LDO 復合材料[16]由于 GO 可防止 LDO 團聚使 MO 的吸附量也有所增加。Chen 等[17]合成Fe3O4/LDH 復合材料不僅可增強剛果紅吸附量至 505 mg g-1，還可利用磁性作用將吸附劑分離。因此綜上，可通過優(yōu)化金屬離子的種類或含量、層間插層陰離子、形貌和互補材料復合的方法來進一步提高 LDH 吸附有機染料的性能。

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 擺玉龍;;超級電容器電極材料的研究進展[J];新疆化工;2011年03期

2 ;中科院合肥物質科學研究院石墨烯基超級電容器研制成功[J];中國建材資訊;2017年04期

3 ;超級電容器技術及產(chǎn)業(yè)國際論壇暨2018產(chǎn)業(yè)年會召開[J];科學中國人;2019年03期

4 林曠野;劉文;陳雪峰;;超級電容器隔膜及其研究進展[J];中國造紙;2018年12期

5 程錦;;超級電容器及其電極材料研究進展[J];電池工業(yè);2018年05期

6 曾進輝;段斌;劉秋宏;蔡希晨;吳費祥;趙盼瑤;;超級電容器參數(shù)測試與特性研究[J];電子產(chǎn)品世界;2018年12期

7 劉永坤;姚菊明;盧秋玲;黃錚;江國華;;碳纖維基柔性超級電容器電極材料的應用進展[J];儲能科學與技術;2019年01期

8 季辰辰;米紅宇;楊生春;;超級電容器在器件設計以及材料合成的研究進展[J];科學通報;2019年01期

9 余凡;熊芯;李艾華;胡思前;朱天容;劉蕓;;金屬-有機框架作為超級電容器電極材料研究的綜合性實驗設計[J];化學教育(中英文);2019年02期

10 王蕾;;伊朗讓紙變成“超級電容器” 可快速充放電[J];新能源經(jīng)貿觀察;2018年12期

相關會議論文 前10條

1 代杰;汪匯源;譚X>予;隋剛;楊小平;;二硫化鉬/中空碳球復合材料的制備及其在超級電容器中的應用[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題I：能源高分子[C];2017年

2 時志強;;開啟電力能量儲存與利用的新時代?——超級電容器技術與應用進展[A];2018電力電工裝備暨新能源應用技術發(fā)展論壇報告集[C];2018年

3 馬衍偉;張熊;孫現(xiàn)眾;王凱;;高性能超級電容器及其電極材料的研究[A];第三屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2016年

4 邱介山;于暢;楊卷;;超級電容器用功能二維納米碳材料的合成及功能化[A];第三屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2016年

5 孟月娜;武四新;;高倍率性的碳納米管基柔性超級電容器電極[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第二十九分會：電化學材料[C];2016年

6 潘偉;薛冬峰;;鐵基超級電容器[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第四十二分會：能源納米材料物理化學[C];2016年

7 王凱;張熊;孫現(xiàn)眾;馬衍偉;;柔性固態(tài)超級電容器:從材料設計到器件制備[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第四十一分會：納米材料與器件[C];2016年

8 婁正;沈國震;;柔性芯片超級電容器的設計及其在傳感系統(tǒng)中的應用[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第四十一分會：納米材料與器件[C];2016年

9 高書燕;萬歲閣;魏先軍;;自組裝法制備超親水氮摻雜碳凝膠超級電容器電極材料[A];第七屆全國物理無機化學學術會議論文集[C];2016年

10 張曉芳;張偉;盧燦輝;;基于納米纖維素的N-摻雜碳質氣凝膠超級電容器的制備及應用研究[A];2016年全國高分子材料科學與工程研討會論文摘要集[C];2016年

相關重要報紙文章 前10條

1 山科;煤基電容炭有望規(guī)�；a(chǎn)[N];中國化工報;2014年

2 實習生 邱銳;碳納米管超級電容器問世[N];中國科學報;2012年

3 記者 來蒞;中國超級電容器技術及產(chǎn)業(yè)國際論壇在北海舉行[N];北海日報;2019年

4 本報記者 李東慧;我市將建超級電容器研發(fā)中心 多個住宅項目堅持新中式風貌[N];洛陽日報;2018年

5 湖北 朱少華 編譯;一款雙向DC/DC穩(wěn)壓器和超級電容器充電器電路[N];電子報;2017年

6 記者 楊紅衛(wèi);河南瑞貝卡集團與天一航天科技公司超級電容器項目合作簽約儀式舉行[N];許昌日報;2017年

7 記者 夏文燕 通訊員 代成;超級電容器有望得到廣泛應用[N];江蘇科技報;2016年

8 見習記者 白明琴;超級電容器市場趨熱[N];中國電力報;2016年

9 楊德印 摘編;超級電容器簡介[N];電子報;2016年

10 西江日報記者 劉亮 實習生 賴映平;超級電容器1分鐘可完成充電[N];西江日報;2016年

相關博士學位論文 前10條

1 袁禹亮;多級結構過渡金屬氧化物與硫化物超級電容器及其應用研究[D];浙江大學;2018年

2 王浩翔;氫氧化鈷電極的復合、改性及新型超級電容器的構筑[D];吉林大學;2018年

3 李艷虹;過渡金屬基（Fe、Co、Ni）化合物的制備及其在超級電容器中的應用[D];重慶大學;2018年

4 劉利;鈷基化合物的設計構筑及其在電化學儲能和電催化轉化中的高效應用[D];重慶大學;2018年

5 王廣寧;多酸基配位聚合物超級電容器電極材料的制備及性能研究[D];哈爾濱理工大學;2018年

6 馬麗娜;細菌纖維素基柔性超級電容器電極的制備與性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

7 歐陽田;碳材料的鹽輔助制備及其超級電容性能研究[D];哈爾濱工程大學;2018年

8 許峰;溶膠法制備新型三維碳材料及其超級電容器性能調控研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

9 王志奎;基于聚乙烯醇的自修復超級電容器結構設計與性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

10 李灣灣;高強度聚苯胺導電水凝膠的設計及其在柔性超級電容器中的應用[D];中國科學技術大學;2018年

相關碩士學位論文 前10條

1 溫豐;鎳鈷基過渡金屬復合物的制備、摻雜及其性能研究[D];南京理工大學;2018年

2 王姣霞;高容量碳二氧化錳復合電極的制備及其電化學性能研究[D];浙江工業(yè)大學;2013年

3 張娜;生物質制備三維石墨烯及其在超級電容器中的應用[D];海南大學;2016年

4 王福蕾;錳、鈷氧化物基復合電極材料的制備及其超級電容器性能研究[D];南京理工大學;2018年

5 何為東;Mn基和Ni基三維微納材料的構建及其超級電容器的組裝[D];濟南大學;2018年

6 曹菲菲;MOF及其衍生的金屬氫氧化物在超級電容器方面的應用[D];重慶大學;2018年

7 李光胤;超級電容器用二氧化錳及其復合材料的研究[D];鄭州輕工業(yè)學院;2013年

8 姚許;V_2O_5/CNT自支撐薄膜電極的制備及性能研究[D];華中科技大學;2017年

9 崔夢雅;超級電容器3D-Mn/MnO_x電極的制備及其性能分析[D];北京工業(yè)大學;2018年

10 楊秀芳;基于芳香四羧酸功能配合物的合成及其性能研究[D];山西師范大學;2018年

本文編號：2804282