本文關(guān)鍵詞：納米陣列合成及其電化學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 納米陣列 超級(jí)電容器 電催化 氣泡屏蔽效應(yīng)

【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,人類生產(chǎn)和日常生活中越來(lái)越離不開化石能源,例如石油和煤。然而,化石能源畢竟儲(chǔ)量有限,該資源的消耗量日益增大以及其大規(guī)模使用所帶來(lái)的環(huán)境污染,迫使國(guó)內(nèi)外研究組尋找出可持續(xù)發(fā)展的替代性清潔能源和性能穩(wěn)定的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。本文面向低能耗和低功耗制取無(wú)污染的清潔能源(氫氣)以及發(fā)展快速充放電和高容量高循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器電極,主要通過(guò)一系列合成手段得到界面有序組裝的納米材料(納米陣列),并研究了對(duì)于特定材料其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)儲(chǔ)能以及催化(析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng))性能的構(gòu)效關(guān)系,具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論有以下幾點(diǎn)：1.通過(guò)水熱合成的方法制備了在泡沫鎳基底上豎直排列的具有一維和二維結(jié)構(gòu)的氧化鎳以及氫氧化鎳,并研究了其作為超級(jí)電容器電極時(shí)的儲(chǔ)能性能。研究發(fā)現(xiàn),該材料具有超高的比容量(2000F儋),優(yōu)異的倍率特性以及突出的循環(huán)穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的儲(chǔ)能性能被歸結(jié)為其特殊的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)：a.納米陣列材料由于其直接生長(zhǎng)在導(dǎo)電基底上,所以能滿足電子的快速傳導(dǎo)；b.豎直排列的納米結(jié)構(gòu)之間具有很多空隙,這能夠大幅度提高材料的比表面積,同時(shí)也構(gòu)成了電解液離子的傳輸通道,加速了材料界面的傳質(zhì)過(guò)程；c.納米陣列材料又具有普通納米粉體材料的特性,其某個(gè)或者多個(gè)維度的納米尺寸將使得材料充分暴露在電解液中,提高材料的利用率。2.通過(guò)構(gòu)筑雙金屬氫氧化物或者氧化物納米陣列,并選擇性刻蝕部分材料,可以得到高度多孔化的納米陣列,同時(shí)其特殊的多孔結(jié)構(gòu)也被證明能進(jìn)一步提高其單位質(zhì)量比電容和倍率特性。我們以鈷鋁水滑石為例,發(fā)現(xiàn)用高濃度的氫氧化鈉溶液可以選擇性溶解其中的鋁部分,形成多孔化的鈷的堿式碳酸鹽納米陣列,其比質(zhì)量電容可大于1000F/g,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其前驅(qū)物(約400F/g)。3.通過(guò)多步合成的方法在原有的一級(jí)納米陣列結(jié)構(gòu)上繼續(xù)生長(zhǎng)二級(jí)的納米陣列,從而形成多級(jí)納米陣列結(jié)構(gòu),并用以解決一級(jí)納米陣列材料負(fù)載量不足(3mg/cm2)的問(wèn)題。多級(jí)納米陣列結(jié)構(gòu)在維持了原有一級(jí)納米陣列的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高了活性儲(chǔ)能材料的單位面積負(fù)載量(～12 mg/cm2),大幅度提高其單位面積比電容(～24.9F/cm2),大大提高了其大規(guī)模應(yīng)用的前景。此外,該種多級(jí)結(jié)構(gòu)在鎳鋅電池中也具有潛在應(yīng)用。4.發(fā)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的納米陣列在水下的超疏氣性,從而使其作為電化學(xué)分解水電極具有快速的電流增長(zhǎng)和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。以二硫化鉬材料為例,三維多孔納米化的界面結(jié)構(gòu)將顯著降低其對(duì)于氣泡的表面粘附力,并具有大于150度的氣泡接觸角。在電化學(xué)析氫反應(yīng)(HER)測(cè)試中,三維多孔納米化的表面具有極小的氣泡脫離尺寸以及快速的脫氣速度,使得其在一定過(guò)電位下的反應(yīng)電流和反應(yīng)穩(wěn)定性上超過(guò)了具有最佳活性的鉑碳催化劑,極具商業(yè)應(yīng)用前景。另外,這種具有超疏氣性質(zhì)的電極可以拓展于析氧反應(yīng)(OER)和水合肼氧化反應(yīng)(HzOR)中。具有超疏氣的NiFe-LDH陣列具有優(yōu)異的OER性質(zhì)(1.46V的起始電位和快速的電流增加速率),并優(yōu)于商業(yè)的Ir/C催化劑。此外,具有超疏氣的Cu納米結(jié)構(gòu)薄膜組裝而成的直接肼燃料電池的功率密度是商業(yè)Pt/C催化劑的三倍。5.發(fā)展了一種有機(jī)相電化學(xué)調(diào)控的方法用以調(diào)控材料表面的電子結(jié)構(gòu),并相應(yīng)提高材料的電化學(xué)催化活性。以商用鋰離子電池正極材料鈷酸鋰(LiCoO2)為例,我們通過(guò)電化學(xué)調(diào)控的方法將其中的鋰離子逐步脫出,得到半充鋰的鈷酸鋰材料,其電化學(xué)析氧性能比之前提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),該結(jié)果顯示了電化學(xué)調(diào)控方法的可行性。
【關(guān)鍵詞】：納米陣列 超級(jí)電容器 電催化 氣泡屏蔽效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 緒論18-32
• 1.1 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介18-25
• 1.1.1 超級(jí)電容器的原理和分類19-20
• 1.1.2 超級(jí)電容器材料20-23
• 1.1.3 超級(jí)電容器的組裝23-25
• 1.2 氣體參與電化學(xué)催化反應(yīng)25-29
• 1.2.1 氣體溢出反應(yīng)25-29
• 1.2.1.1 電解水反應(yīng)25-27
• 1.2.1.2 水合肼氧化反應(yīng)27-28
• 1.2.1.3 氣體溢出反應(yīng)共有的問(wèn)題28-29
• 1.2.2 氣體吸收反應(yīng)29
• 論文的選題及研究意義29-32
• 第二章 實(shí)驗(yàn)試劑,實(shí)驗(yàn)方法以及性能計(jì)算公式32-42
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法32-37
• 2.3 表征技術(shù)與方法37-42
• 2.3.1 材料表征37-38
• 2.3.2 電化學(xué)表征38-42
• 第三章 鎳基納米陣列的合成和超電容性質(zhì)表征42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分42
• 3.3 結(jié)果與討論42-50
• 3.3.1 納米陣列形貌和結(jié)構(gòu)表征42-46
• 3.3.2 納米陣列作為超級(jí)電容器電極的電化學(xué)性能46-50
• 3.4 小結(jié)50-52
• 第四章 多孔納米陣列的合成和超電容性質(zhì)表征52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分52-53
• 4.3 結(jié)果與討論53-59
• 4.3.1 多孔納米陣列形貌和結(jié)構(gòu)表征53-56
• 4.3.2 多孔納米陣列的電化學(xué)性能表征56-59
• 4.4 小結(jié)59-60
• 第五章 多級(jí)納米陣列的制備及其在儲(chǔ)能設(shè)備上的應(yīng)用60-76
• 5.1 引言60-61
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分61-62
• 5.3 結(jié)果與討論62-74
• 5.3.1 多級(jí)納米陣列形貌和結(jié)構(gòu)表征62-68
• 5.3.2 多級(jí)納米結(jié)構(gòu)的超電容性能和組裝水相電池性能表征68-74
• 5.4 小結(jié)74-76
• 第六章 納米陣列材料在氣體溢出電催化反應(yīng)中的應(yīng)用76-116
• 6.1 引言76-78
• 6.2 超疏氣二硫化鉬納米陣列電極用于析氫反應(yīng)78-98
• 6.2.1 高性能析氫催化劑MoS_2材料的介紹78
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)部分78-79
• 6.2.3 結(jié)果與討論79-98
• 6.2.3.1 多孔微米級(jí)MoS_2薄膜的制備和析氫性能表征79-87
• 6.2.3.2 超疏氣MoS_2納米陣列的制備和析氫性能表征87-98
• 6.3 鎳鐵水滑石納米陣列電極用于電化學(xué)析氧反應(yīng)98-106
• 6.3.1 電化學(xué)析氧反應(yīng)與鎳鐵基催化劑簡(jiǎn)介98-99
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)部分99
• 6.3.3 結(jié)果與討論99-106
• 6.4 銅納米陣列電極用于電化學(xué)水合肼氧化反應(yīng)以及直接水合肼燃料電池106-115
• 6.4.1 水合肼燃料電池簡(jiǎn)介106-107
• 6.4.2 實(shí)驗(yàn)部分107
• 6.4.3 結(jié)果與討論107-115
• 6.5 小結(jié)115-116
• 第七章 電化學(xué)法調(diào)控鋰金屬氧化物析氧活性研究116-126
• 7.1 引言116-117
• 7.2 實(shí)驗(yàn)部分117
• 7.3 結(jié)果與討論117-124
• 7.4 小結(jié)124-126
• 第八章 結(jié)論126-128
• 參考文獻(xiàn)128-144
• 致謝144-146
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文146-152
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介152-153
• 附件153-154

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本文編號(hào)：1106721