本文選題：核殼型納米線陣列　切入點：層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)　出處：《北京化工大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年來,電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換因其具有能量存儲與轉(zhuǎn)換效率高、清潔無污染等優(yōu)勢,引起了研究者的廣泛關(guān)注。發(fā)展高效的電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換電極材料是實現(xiàn)清潔、可再生能源廣泛利用的關(guān)鍵。其中,核殼型納米線陣列電極材料具有大活性表面積、優(yōu)異的電子傳輸和離子擴散性質(zhì)以及組分之間的協(xié)同效應(yīng)等特點,在電化學(xué)能源領(lǐng)域具有重要的研究價值。提升核殼型納米線陣列電化學(xué)性能的關(guān)鍵在于充分發(fā)揮各組分的性能優(yōu)勢,實現(xiàn)功能互補和協(xié)同作用。然而,核殼型納米線陣列組成與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、可控制備以及性能強化面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此,探索具有高電化學(xué)反應(yīng)活性、組成/結(jié)構(gòu)可調(diào)控的新型材料是構(gòu)筑高性能納米線陣列電極的基礎(chǔ)。層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)具有主客體組成可調(diào)以及活性位高度分散等特點,在電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換的多個領(lǐng)域表現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。通過構(gòu)筑LDHs多維度納米結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料,進一步改善其電荷傳遞和表面反應(yīng)活性,有利于充分發(fā)揮LDHs的電化學(xué)性能,獲得性能優(yōu)異的電極材料。本論文采用原位生長法、電合成法等手段,將二維LDHs納米片修飾在一維納米線陣列表面,得到了三種以納米線陣列為核、LDHs為殼的LDHs基核殼型復(fù)合納米線陣列。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與組成調(diào)控,充分發(fā)揮了核殼型納米線陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢并結(jié)合了不同組分的性能特點,實現(xiàn)了 LDHs基電極材料的超級電容器、電催化析氧以及光電化學(xué)分解水性能強化。此外,本論文進一步研究了核殼型納米線陣列中各組分之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng),揭示了構(gòu)效關(guān)系和電化學(xué)性能強化機理。具體研究內(nèi)容如下:(1) Co3O4@NiAl-LDH核殼型納米線陣列的制備及其超電容性能研究采用溶膠-凝膠法以及隨后的水熱反應(yīng),將NiAl-LDH原位生長在Co3O4納米線陣列表面,得到了具有多級結(jié)構(gòu)的Co3O4@NiAl-LDH核殼型納米線陣列。該陣列中NiAl-LDH納米片相互交錯且垂直于Co3O4納米線表面生長,形成了結(jié)構(gòu)有序、多孔的表面形貌。相比于純Co3O4納米線陣列以及前人報道的NiAl-LDH基電極材料,本論文得到的Co3O4@NiAl-LDH核殼型納米線陣列表現(xiàn)出了顯著提升的超電容性能,其比電容達到1772 Fg-1 (2 Ag-1)。超電容性能的提升是由于NiAl-LDH殼的多級多孔結(jié)構(gòu)和強烈的核殼鍵合作用,使得電化學(xué)活性組分充分暴露并加速了電荷傳輸過程。(2)ZnCo2O4@NiFe-LDH核殼型納米線陣列的制備及其電催化析氧性能研究通過電化學(xué)合成法將NiFe-LDH納米片生長在ZnCo2O4納米線陣列表面,得到了具有多級結(jié)構(gòu)的ZnCo2O4@NiFe-LDH核殼型納米線陣列。該陣列表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化析氧(OER)性能,包括顯著降低的析氧過電勢(J=10mAcm-2時為245mV)和提升的析氧電流密度(η=300mV時為22.5 mA cm-2);不僅優(yōu)于純ZnCo2O4納米線陣列和NiFe-LDH納米片陣列,甚至好于商用Ir/C電催化劑。OER性能的提升是由于核殼型納米線陣列的多級結(jié)構(gòu)優(yōu)化了活性位點的暴露以及電子和離子的傳輸;此外,ZnCo2O4核與NiFe-LDH殼的相互作用提升了 NiFe-LDH的OER活性并進一步促進了界面電荷轉(zhuǎn)移速率。(3) TiO2/rGO/NiFe-LDH核殼型納米棒陣列的制備及其光電化學(xué)分解水(PEC)性能研究采用旋涂法和電合成法先后在TiO2納米棒陣列表面負(fù)載石墨烯(rGO)和NiFe-LDH,得到了組成與結(jié)構(gòu)可調(diào)控的多級結(jié)構(gòu)TiO2/rGO/NiFe-LDH核殼型納米棒陣列,其中rGO和LDH均勻固定在TiO2納米棒的表面。相比于純TiO2納米棒陣列以及TiO2/rGO和TiO2/NiFe-LDH二元納米棒陣列,三元TiO2/rGO/NiFe-LDH納米棒陣列作為光電陽極表現(xiàn)出了極大提升的光電化學(xué)(PEC)分解水性能,包括更大的光電流密度(0.6 V下為1.74 mA cm-2)和光能量轉(zhuǎn)換效率(0.13 V下為0.58%),以及優(yōu)異的PEC水氧化穩(wěn)定性(反應(yīng)5 h氧氣產(chǎn)量保持穩(wěn)定)。值得一提的是,該光電流密度達到了 TiO2理論值的93%,優(yōu)于前人報道的中性電解液中的TiO2基光電陽極材料。實驗研究和計算化學(xué)模擬結(jié)果表明:rGO具有較高的功函數(shù)和優(yōu)異的電子遷移率,可以接收TiO2中的光生電子并實現(xiàn)電子的快速輸運;同時,NiFe-LDH起到了助催化作用,加速了電極表面的水氧化反應(yīng)速率。rGO與NiFe-LDH的協(xié)同作用同時提升了電荷分離效率和表面水氧化效率,實現(xiàn)了 PEC性能的強化。此外,這種rGO與NiFe-LDH的共修飾手段被用于其他半導(dǎo)體納米陣列(α-Fe2O3和WO3)體系中,對于提升其光電陽極的PEC性能同樣有效。
[Abstract]:In recent years , electrochemical energy storage and transformation have attracted much attention in the field of electrochemical energy storage and conversion because of its advantages of high energy storage and conversion efficiency , clean and no pollution . ( 3 ) The preparation of TiO2 / rGO / nife - LDH core - shell nanorod arrays and their photoelectrochemical decomposition water ( PEC ) performance were studied by spin coating and electrosynthesis . It is worth mentioning that the photocurrent density reaches 93 % of the theoretical value of TiO2 and is superior to the TiO2 - based photo - anode material in the neutral electrolyte reported by the previous person . The experimental research and calculation results show that rGO has higher work function and excellent electron mobility , can receive the photogenerated electrons in TiO2 and realize the fast transport of electrons .

【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O646

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 盤登科;LDH型核殼結(jié)構(gòu)磁性納米載藥粒子的組裝及其體外釋放性能研究[D];北京化工大學(xué);2010年

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本文編號：1709567