本文關鍵詞：三元金屬氧化物的合成與電化學性能研究

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【摘要】：在過去的幾十年中,人們主要將目光集中在二元金屬氧化物的研究上,對三元氧化物的研究較少,而如今由于三元金屬氧化物固有的特性,如寬禁帶、高介電常數(shù)和活躍的電子運輸能力,被認為是杰出的構建光電以及電學器件的基石。例如,三元氧化物價態(tài)可調(diào)確保了高電導率和豐富的電化學活性位點。相似的晶體結(jié)構和離子半徑也使成分之間可相互調(diào)整以滿足光電器件的帶隙要求。尤其超級電容器具備功率密度,快速充電／放電特點和優(yōu)異的周期穩(wěn)定性的優(yōu)點而異軍突起。提高超級電容器的關鍵是電極材料的選擇。大多數(shù)二元金屬氧化物如MnO2, CoO, Co3O4, NiO,等屬于寬禁帶半導體材料甚至絕緣材料,電導率和循環(huán)使用壽命都比較差,性能好的電極材料如RuO2等價格昂貴又具有毒性。三元氧化物如NiCo_2O_4電導率較大,比表面積較大能夠提供較大的比電容且毒性較小。迄今為止,人們發(fā)展各種方法如物理法和化學法來制備三元金屬氧化物,然而,除了方法不具備普遍性以外,往往還需要添加劑以及后處理,或者需要苛刻的制備環(huán)境如高溫高壓,這不可避免的造成了環(huán)境問題和繁瑣的操作。本論文發(fā)展了兩種不同的方法合成了不同結(jié)構、不同形貌的三元氧化物,一種是傳統(tǒng)的模版法合成了單層和雙層的納米NiCo_2O_4空心球,并研究其在超級電容器中的性能；另一種是普遍的激光-水熱法,即通過結(jié)合液相激光燒蝕和短時間的水熱法制備了各種三元氧化物納米晶,研究了通過該法制備的Zn_2GeO_4納米棒的光催化性能、光電響應和納米NiCo_2O_4的電化學性能。具體研究內(nèi)容如下：(1)通過傳統(tǒng)的溶液法包覆碳球基底,退火后制備單層NiCo_2O_4空心球；再次包覆單層NiCo_2O_4空心球退火得到雙層NiCo_2O_4空心球,當從單層結(jié)構變?yōu)殡p層結(jié)構時,比表面積增大了50%(從76.6到115.2 m2g~(-1))。(2)研究了不同退火溫度以及退火氣氛對雙層NiCo_2O_4空心球的影響。將不同條件下的四個樣品分別作為超級電容器的活性電極材料,發(fā)現(xiàn)低溫氫化后的雙層NiCo_2O_4空心球的內(nèi)阻和Warburg阻抗大大減小。且與單層NiCo_2O_4空心球相比,當電流密度為1Ag~(-1)時,比電容從445提高到718 F g~(-1),增加了62%。在電流密度為2 Ag~(-1)循環(huán)2000次之后,電容保持在80%以上。將性能最佳的低溫退火樣品作為陽極,和活性炭組裝成完整的全電容,具有快速的電流-電壓響應。50 mA cm-2電流密度下,2000個循環(huán)之后電容仍然可以保持89.9%。(3)通過液相激光燒蝕法并結(jié)合短時間的水熱,在常溫常壓下成功制備了一系列三元氧化物包括Zn_2GeO_4, NiCo_2O_4, Zn_2SnO_4, ZnFe_2O_4, ZnMnO_3和Fe_2GeO_4。以Zn_2GeO_4納米棒的合成為例,講述了詳細的反應過程和機理研究。整個反應包括以下步驟：即刻成核和生長,蝕刻和擴散生長,隨之繼續(xù)長大。1 h內(nèi)可以形成單晶Zn_2GeO_4納米棒,在常溫常壓下,可以獲得鍺基復合材料�；贜iCo_2O_4納米晶制備的電容器展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能,電流密度為1 Ag~(-1)時比電容為1113 F g~(-1),在20Ag~(-1)的高電流密度下,電容保持在初始電容的68.7%。
【關鍵詞】：三元金屬氧化物 超級電容器 模板法 液相激光燒蝕法
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O646;TM53
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 三元氧化物簡介11-12
• 1.2.1 三元氧化物的結(jié)構12
• 1.3 三元氧化物的制備方法12-17
• 1.3.1 硬模板法制備空心球結(jié)構13
• 1.3.2 水熱法制備三元氧化物13-14
• 1.3.3 液相激光燒蝕法制備三元氧化物14
• 1.3.4 液相激光燒蝕的原理14-16
• 1.3.5 液相激光燒蝕制備的納米結(jié)構16-17
• 1.3.6 液相激光燒蝕的納米材料的應用17
• 1.4 三元氧化物在超級電容器中的應用17-20
• 1.4.1 超級電容器的分類及原理18-19
• 1.4.2 電極材料的研究進展19
• 1.4.3 超級電容器的量化標準19-20
• 1.5 三元氧化物在光催化中的應用20
• 1.6 三元氧化物在其他方面的應用20
• 1.7 本論文的研究思路及主要工作20-22
• 2 實驗方法及設備22-27
• 2.1 實驗原料22
• 2.2 實驗設備22-23
• 2.3 實驗方法23-24
• 2.3.1 碳球模板法實驗法23
• 2.3.2 液相激光燒蝕法23-24
• 2.4 組裝與測試方法24-26
• 2.4.1 NiCo_2O_4電極的制作25
• 2.4.2 非對稱全電容器的制作25
• 2.4.3 氮氣吸附-脫附測試25
• 2.4.4 材料的電化學性質(zhì)測試25
• 2.4.5 光催化實驗25-26
• 2.5 表征手段26-27
• 3 模板法合成空心NiCo_2O_4及其電化學應用27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 NiCo_2O_4空心微球形貌特征27-32
• 3.2.1 比表面積30-31
• 3.2.2 NiCo_2O_4化合價31-32
• 3.3 NiCo_2O_4電極的電化學性能32-36
• 3.4 NiCo_2O_4/AC超級電容器的電化學性能36-39
• 3.5 本章總結(jié)39-41
• 4 液相激光燒蝕法合成三元氧化物Zn_2GeO_4及應用41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 液相激光燒蝕法制備Zn_2GeO_441-53
• 4.2.1 活性金屬膠體前驅(qū)體的制備42
• 4.2.2 水熱處理活性膠體溶液42-48
• 4.2.3 LAL合成Zn_2GeO_4的反應機理48-49
• 4.2.4 Zn_2GeO_4的光催化應用49-53
• 4.3 本章總結(jié)53-54
• 5 液相激光燒蝕法合成三元氧化物NiCo_2O_4及應用54-62
• 5.1 液相激光燒蝕法制備NiCo_2O_454-56
• 5.2 NiCo_2O_4在超級電容器中的應用56-59
• 5.3 液相激光燒蝕法合成其他三元氧化物59-61
• 5.4 本章總結(jié)61-62
• 6 總結(jié)與展望62-64
• 6.1 總結(jié)62
• 6.2 主要創(chuàng)新點62-63
• 6.3 展望63-64
• 致謝64-65
• 參考文獻65-74
• 附錄74

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2 櫖恅i，

本文編號：1091273