本文選題：介孔/中空結(jié)構(gòu)材料 + 鋰離子電池�。� 參考：《浙江大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：環(huán)境的嚴(yán)重污染及化石燃料的過度消耗已成為制約當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)重大問題,發(fā)展新型能源新技術(shù)是解決上述問題的有效途徑,已經(jīng)成為當(dāng)今產(chǎn)學(xué)研熱點(diǎn)研究課題。著眼于提升鋰離子電池、超級(jí)電容器、電催化分解水等代表性新能源器件性能,研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)電能與化學(xué)能的高效儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化的新型電極材料是儲(chǔ)能新材料研發(fā)的核心和關(guān)鍵。電化學(xué)過程是決定上述儲(chǔ)能器件及其關(guān)鍵電極材料性能的重要因素,電催化分解水將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,而鋰離子電池、超級(jí)電容器則可以實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的可逆儲(chǔ)能與循環(huán)放能。剖析上述儲(chǔ)能器件的電化學(xué)過程差異,根據(jù)電化學(xué)儲(chǔ)能性能提升對(duì)其電極材料微觀結(jié)構(gòu)特性的不同要求,開展基于電化學(xué)儲(chǔ)能過程與電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制的電極材料研究,是高性能儲(chǔ)能器件研發(fā)的關(guān)鍵,具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值�；谥锌战Y(jié)構(gòu)的介孔電極材料,由于其獨(dú)特的材料微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,如微米及亞微米尺度的中空結(jié)構(gòu)可以緩解電極材料循環(huán)使用過程的體積膨脹帶來的材料與器件性能劣化問題,介孔結(jié)構(gòu)具有的高比表面積及孔道結(jié)構(gòu)能夠增加電化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)、提供快速高效的傳質(zhì)通道等,成為新能源器件電極材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。目前,如何做到中空結(jié)構(gòu)、介孔結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)與合成,特別是獲得綜合性能提升的中空結(jié)構(gòu)與介孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同匹配,是目前尚未從材料制備技術(shù)、以及材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)規(guī)律科學(xué)問題研究角度解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。本論文首先發(fā)展了一種可以制備與調(diào)控電極材料總的孔隙率,以及亞微米中空的孔隙率、介孔結(jié)構(gòu)的孔隙率等的制備方法,獲得了鋰離子電池的循環(huán)性能與倍率性能顯著提升的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)鋰離子電池,超級(jí)電容器以及電催化分解水這三種不同電化學(xué)過程的儲(chǔ)能器件關(guān)鍵性能提升需求,發(fā)展了紡錘體狀介孔中空結(jié)構(gòu)C/Ni/Ti02復(fù)合電極材料、具有組份可調(diào)的多孔中空Ni-Co雙金屬硫化物納米盒電極材料、一維納米線結(jié)構(gòu)單元自組裝而成的分等級(jí)介孔中空NiCo2O4四方微柱電極材料的制備方法,通過對(duì)上述電極材料的中空結(jié)構(gòu)、介孔結(jié)構(gòu)以及活性成分等參數(shù)的調(diào)控,均獲得了電化學(xué)儲(chǔ)能及催化性能的顯著提升的效果,可望在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域獲得應(yīng)用。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)基于電極材料活性組分的形態(tài)學(xué)工程調(diào)控制備技術(shù),發(fā)展了一種將納米尺度活性組分顆粒組裝為微米/亞微米尺度中空結(jié)構(gòu)、進(jìn)而通過調(diào)控中空結(jié)構(gòu)的孔隙率實(shí)現(xiàn)對(duì)電極材料孔隙率有效調(diào)控的新方法。這種新方法較為容易地實(shí)現(xiàn)電極材料孔隙率的事先設(shè)計(jì)與可控制備,有望取代傳統(tǒng)通過漿料涂覆過程造孔的方法。以TiO2為例,我們首先通過溶劑熱法合成CaTiO3微米實(shí)心立方塊,用作合成TiO2微米中空盒的自犧牲模板。然后通過Na2EDTA的輔助使之發(fā)生離子交換反應(yīng),成功制備了TiO2微米中空盒。此中空盒的盒壁由活性組分納米TiO2顆粒堆積而成,具有介孔堆積結(jié)構(gòu)。研究獲得了調(diào)控TiO2微米中空盒的壁厚、活性組分納米TiO2顆粒堆積介孔結(jié)構(gòu)的制備工藝參數(shù),驗(yàn)證了事先設(shè)計(jì)與可控制備電極材料孔隙率的材料制備概念及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑。(2)發(fā)展了一種簡易的制備紡錘體狀介孔中空結(jié)構(gòu)C/Ni/TiO2復(fù)合電極材料的方法。首先采用沉淀法制備了形貌均一的紡錘體狀NiTiO3前驅(qū)體;然后將其用作自犧牲模板,通過在管式爐中與NH4H2PO4分區(qū)堆放、進(jìn)行共熱處理的還原過程,制備了形貌均一的紡錘體狀介孔中空C/Ni/TiO2電極材料,并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮的摻雜。研究發(fā)現(xiàn),這種氮摻雜的介孔中空C/Ni/TiO2材料結(jié)構(gòu),不僅具有良好導(dǎo)電性,而且提供了大量的鋰離子嵌入位點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)了良好的儲(chǔ)鋰性能。(3)發(fā)展了一種通過自犧牲模板法合成具有組份可調(diào)的介孔中空Ni-Co雙金屬硫化物納米盒的方法。首先經(jīng)液相法先沉淀后還原工藝制備了Cu2O納米立方塊;然后將其用作自犧牲模板配置乙醇水溶液,然后通過滴定Na2S2O3使之發(fā)生離子交換反應(yīng),成功制備了 Ni-Co前驅(qū)體微米中空盒:隨著Na2S2O3溶液不斷加入,Cu2O不斷被腐蝕,OH-不斷產(chǎn)生;同時(shí)發(fā)生了事先添加的Ni2+、Co2+和產(chǎn)生的OH-反應(yīng)形成具有空殼結(jié)構(gòu)的Ni-Co前驅(qū)體的反應(yīng),由于亞銅離子的向外擴(kuò)散的速度要大于OH-向內(nèi)擴(kuò)散的速度,因此形成了中空結(jié)構(gòu)。最后,采用硫脲作為硫源,經(jīng)硫化合成了具有介孔中空結(jié)構(gòu)的NiCo2S4和Ni2CoS4亞微米盒。研究發(fā)現(xiàn),將其用作超級(jí)電容器電極材料時(shí)表現(xiàn)出良好的性能。(4)發(fā)展了 一種通過自犧牲模板法合成由一維納米線結(jié)構(gòu)單元自組裝成的分級(jí)介孔中空NiCo2O4四方微柱,該NiCo2O4四方微柱作為雙功能電催化劑用于全分解水的析氧反應(yīng)和析氫反應(yīng)。這種新穎的分級(jí)介孔中空NiCo2O4四方微柱在全分解水中表現(xiàn)出極好的催化活性和穩(wěn)定性。在電流密度為10mAcm-2時(shí),在兩電極間的應(yīng)用電壓為1.65V;而在電流密度為20mAcm-2時(shí),為1.74V。此外,通過與NiCo2O4微米花結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比測試研究,證實(shí)了這種新穎的分級(jí)介孔中空NiCo2O4四方微柱結(jié)構(gòu)在顯著提升全分解水性能的方面的重要作用,有望成為具有優(yōu)異電催化全分解水性能的優(yōu)選電極材料新結(jié)構(gòu)。
[Abstract]:In order to improve the performance of new energy storage devices , a new type of electrode material has been developed . A simple method for preparing hollow C / Ni / TiO2 composite electrode material with mesoporous hollow structure by self - sacrifice template has been developed .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.4;O646

【參考文獻(xiàn)】

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1 王偉;過渡金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的制備和電化學(xué)性能研究[D];華東師范大學(xué);2014年

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本文編號(hào)：1815068