發(fā)布時(shí)間：2017-07-31 12:26

  本文關(guān)鍵詞：多層級(jí)納米陣列的構(gòu)筑及其電化學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 納米陣列 多層級(jí)結(jié)構(gòu) 超級(jí)電容器 電催化析氧反應(yīng)

【摘要】：納米陣列材料由于具有諸多的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),如獨(dú)特的表面效應(yīng)、尺寸易調(diào)控、與基底粘結(jié)性好等,在鋰離子電池、超級(jí)電容器、光電催化劑、多相催化劑、氣體傳感器等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。其中,基于過(guò)渡金屬氧化物/氫氧化物的多層級(jí)納米陣列,由于其價(jià)格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)優(yōu)越等特點(diǎn),在電化學(xué)儲(chǔ)能和催化方面具有尤為矚目的應(yīng)用前景。本論文圍繞著多層級(jí)納米陣列的液相化學(xué)合成,以及其在電化學(xué)儲(chǔ)能和催化領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究。通過(guò)二次水熱法、多步沉淀法和犧牲模板轉(zhuǎn)化法等手段,實(shí)現(xiàn)了多種多層級(jí)納米陣列的可控合成和陣列的形貌、結(jié)構(gòu)、組分等參數(shù)的調(diào)控,最終對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化和提升。本論文的主要研究?jī)?nèi)容有以下幾點(diǎn)：1、針對(duì)高比容量超級(jí)電容器電極材料的開(kāi)發(fā),通過(guò)二次水熱法制備了超薄C0304納米片陣列；通過(guò)改變堿源(尿素和六次亞甲基四胺),對(duì)納米片陣列的形貌和尺寸進(jìn)行了調(diào)控,并研究了超薄納米片的形貌進(jìn)化過(guò)程及其形成機(jī)理。研究了納米片厚度與其超電容性能之間的關(guān)系,結(jié)果表明,具有超薄結(jié)構(gòu)的C0304納米片陣列(～10 nm)展現(xiàn)出了較高的比容量(電流密度為5mA.cm-2時(shí)達(dá)到1782 F·g-1),優(yōu)于較厚C0304納米片陣列(351 F·g-1)；此外,超薄納米陣列也展現(xiàn)了良好的倍率特性(電流密度增大6倍,容量保持51%)和循環(huán)穩(wěn)定性(2000次循環(huán)后,比容量保持90%)。由超薄Co3O4納米陣列和活性炭組裝而成的非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器,比容量達(dá)到108 F·g-1,能量密度為134 Wh·kg-1,表現(xiàn)出了較好的電化學(xué)性能。這種構(gòu)筑超薄納米片結(jié)構(gòu)的方法顯著提高了材料的比表面積和利用率,為高比容量電極的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。2、通過(guò)構(gòu)筑多層級(jí)納米陣列電極,可有效增加電極活性物質(zhì)的比表面積和負(fù)載量,從而提高電極材料的超電容性能。圍繞著這一目標(biāo),我們發(fā)展了一步水熱制備多層級(jí)納米陣列的方法,在三維泡沫鎳基底上制備了多層級(jí)的CO3O4納米片@納米線(xiàn)陣列。作為超級(jí)電容器電極,多層級(jí)C0304納米陣列由于具有更加疏松多孔的結(jié)構(gòu)和更小的電阻特性,展現(xiàn)出了比單一結(jié)構(gòu)納米陣列更加優(yōu)越的電化學(xué)性能,在5mA·cm-2的充放電電流密度下比容量達(dá)到715 F·g-1,高電流密度時(shí)(30mA·cm-2)倍率特性達(dá)到69%,1000次充放電循環(huán)后容量保持100%,表明其在超電容領(lǐng)域中非常好的應(yīng)用前景。3、多層級(jí)復(fù)合材料納米陣列可充分結(jié)合各組分的優(yōu)勢(shì),解決超電容電極中活性物質(zhì)利用率低、面積比容量低等問(wèn)題。我們?cè)O(shè)計(jì)了多步水熱法,合成了以泡沫鎳為一級(jí)結(jié)構(gòu),C0304納米線(xiàn)陣列為二級(jí)模板,NiO納米棒為三級(jí)結(jié)構(gòu)的多層級(jí)復(fù)合金屬氧化物納米線(xiàn)@納米棒陣列。這種多層級(jí)復(fù)合金屬氧化物納米陣列電極,由于其具有較高的活性物質(zhì)的負(fù)載量(19.5mg·cm-2)和利用率,在5 mA.cm-2的充放電電流密度下單位面積容量可達(dá)到39F·cm-2;同時(shí),這種Co3O4@NiO納米線(xiàn)@納米棒陣列也保持了較高的比容量(2033 F·g-1)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(經(jīng)歷1000次充放電循環(huán),容量保持100%)。多層級(jí)陣列結(jié)構(gòu)及多組分的協(xié)同作用是實(shí)現(xiàn)超高面積容量的關(guān)鍵因素,這為超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。4、多層級(jí)納米陣列在電催化領(lǐng)域中也有良好的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),可有效解決催化劑在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中活性組分不穩(wěn)定、氣體溢出慢等問(wèn)題。我們利用二次水熱法成功制備了多層級(jí)、具有超薄結(jié)構(gòu)的NiCoFe-LDH納米片陣列,研究了反應(yīng)物鐵源的加入量對(duì)水滑石納米片的負(fù)載量和孔隙率的影響。多層級(jí)超薄LDH納米陣列具有優(yōu)異的電催化析氧性能,1 mV·S-1的掃描速率下,過(guò)電勢(shì)僅為0.23 V,塔菲爾斜率為53 mV·dec-1,且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。多層級(jí)超薄LDH納米陣列的構(gòu)筑提高了電極活性物質(zhì)的比表面積和孔隙率,同時(shí)提高了材料的親水疏氣性能,使得電極表面的氣泡粘附力大幅度下降；電荷的快速擴(kuò)散轉(zhuǎn)移及氣泡的快速平穩(wěn)溢出是電極材料展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能的主要原因。5、將納米陣列與金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)結(jié)合,制備了MOF基納米陣列復(fù)合材料,解決了MOF顆粒催化劑的不穩(wěn)定和易團(tuán)聚等問(wèn)題。通過(guò)兩步反應(yīng)法,以Cu(OH)2納米棒陣列為犧牲模板,利用有機(jī)配體的作用在其表面原位溶出Cu2+,然后配位轉(zhuǎn)化得到Cu-MOF晶體,制備出了一系列多層級(jí)的Cu-MOF納米陣列；當(dāng)選用不同類(lèi)型的羧酸配體時(shí),制備得到的銅基MOF陣列展現(xiàn)出了不同的結(jié)構(gòu)和形貌特性。作為結(jié)構(gòu)化的催化劑,由于Cu(OH)2納米棒陣列起到很好的支撐和穩(wěn)定作用,結(jié)合MOF本身的金屬活性位點(diǎn),多層級(jí)Cu(OH)2@MOF-2納米陣列在對(duì)硝基苯酚的還原反應(yīng)中展現(xiàn)出了較好的催化性能,反應(yīng)3 mmin時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%；另外,空心HKUST-1納米管陣列對(duì)苯甲醇的氧化反應(yīng)也具有較高的轉(zhuǎn)化率(反應(yīng)6h時(shí),約為70%)及循環(huán)穩(wěn)定性(重復(fù)使用5次,活性沒(méi)有明顯降低)。這種多層級(jí)復(fù)合物納米陣列的設(shè)計(jì)合成思路,為開(kāi)發(fā)新型的MOF基納米陣列器件提供了很好的思路。
【關(guān)鍵詞】：納米陣列 多層級(jí)結(jié)構(gòu) 超級(jí)電容器 電催化析氧反應(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(lèi)號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集4-5
• 摘要5-9
• ABSTRACT9-24
• 第一章 緒論24-42
• 1.1 引言24-25
• 1.2 多層級(jí)納米陣列概述25-26
• 1.3 多層級(jí)納米陣列的應(yīng)用26-39
• 1.3.1 超級(jí)電容器26-29
• 1.3.2 電催化劑29-30
• 1.3.3 光催化劑30-32
• 1.3.4 鋰離子電池32-34
• 1.3.5 氣體傳感器34-36
• 1.3.6 多相催化劑36-39
• 1.4 多層級(jí)納米陣列的電化學(xué)優(yōu)勢(shì)39-40
• 1.5 論文的選題及研究意義40-42
• 第二章 超薄Co_3O_4納米片陣列的合成及其超電容性能研究42-56
• 2.1 引言42-43
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分43-46
• 2.2.1 試劑43
• 2.2.2 儀器43-44
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟44-46
• 2.2.3.1 超薄Co_3O_4納米片陣列的合成44-45
• 2.2.3.2 超薄Co_3O_4納米片陣列的結(jié)構(gòu)表征45
• 2.2.3.3 超薄Co_3O_4納米片陣列的超電容性能測(cè)試45-46
• 2.3 結(jié)果與討論46-55
• 2.3.1 超薄Co_3O_4納米片陣列的設(shè)計(jì)合成及結(jié)構(gòu)分析46-49
• 2.3.2 超薄Co_3O_4納米片陣列的形貌演變過(guò)程49-50
• 2.3.3 超薄Co_3O_4納米片陣列的超電容性能測(cè)試50-52
• 2.3.4 Co_3O_4/活性炭非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的性能測(cè)試52-53
• 2.3.5 超薄Co_3O_4納米片陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系53-55
• 2.4 小結(jié)55-56
• 第三章 多層級(jí)Co_3O_4納米陣列的構(gòu)筑及其增強(qiáng)的超電容性能研究56-66
• 3.1 引言56
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分56-58
• 3.2.1 試劑57
• 3.2.2 儀器57
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟57-58
• 3.2.3.1 多層級(jí)Co_3O_4納米片@納米線(xiàn)陣列的制備57
• 3.2.3.2 多層級(jí)Co_3O_4納米片@納米線(xiàn)陣列的結(jié)構(gòu)表征57
• 3.2.3.3 多層級(jí)Co_3O_4納米片@納米線(xiàn)陣列的電化學(xué)性能測(cè)試57-58
• 3.3 結(jié)果與討論58-64
• 3.3.1 多層級(jí)Co_3O_4納米陣列的制備及結(jié)構(gòu)分析58-59
• 3.3.2 多層級(jí)Co_3O_4納米陣列的生長(zhǎng)過(guò)程研究59-61
• 3.3.3 多層級(jí)Co_3O_4納米陣列的超電容性能測(cè)試61-63
• 3.3.4 多層級(jí)納米陣列電極的電化學(xué)機(jī)理分析63-64
• 3.4 小結(jié)64-66
• 第四章 多層級(jí)Co_3O_4@NiO納米陣列的構(gòu)筑及其超高面積容量研究66-78
• 4.1 引言66
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分66-68
• 4.2.1 試劑67
• 4.2.2 儀器67
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟67-68
• 4.2.3.1 多層級(jí)Co_3O_4@NiO納米線(xiàn)@納米棒陣列的制備67
• 4.2.3.2 多層級(jí)Co_3O_4@NiO納米線(xiàn)@納米棒陣列的結(jié)構(gòu)表征67
• 4.2.3.3 多層級(jí)Co_3O_4@NiO納米陣列的電化學(xué)性能測(cè)試67-68
• 4.3 結(jié)論與討論68-76
• 4.3.1 多層級(jí)納米陣列的制備及結(jié)構(gòu)分析68-72
• 4.3.2 多層級(jí)納米陣列的超電容性能分析72-75
• 4.3.3 多層級(jí)Co_3O_4@NiO納米陣列的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系75-76
• 4.4 小結(jié)76-78
• 第五章 多層級(jí)LDH納米陣列的構(gòu)筑及電催化析氧性能研究78-90
• 5.1 引言78-79
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分79-80
• 5.2.1 試劑79
• 5.2.2 儀器79
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟79-80
• 5.2.3.1 多層級(jí)NiCoFe-LDH納米陣列的制備79
• 5.2.3.2 NiCoFe-LDH納米顆粒的制備79
• 5.2.3.3 多層級(jí)NiCoFe-LDH納米陣列的結(jié)構(gòu)表征79-80
• 5.2.3.4 多層級(jí)NiCoFe-LDH納米陣列的電催化性能測(cè)試80
• 5.2.3.5 電極表面氣泡粘附力測(cè)試80
• 5.3 結(jié)果與討論80-87
• 5.3.1 多層級(jí)NiCoFe-LDH納米陣列的制備及結(jié)構(gòu)分析81-84
• 5.3.2 NiCoFe-LDH納米顆粒的制備及結(jié)構(gòu)分析84
• 5.3.3 多層級(jí)NiCoFe-LDH納米陣列的析氧性能測(cè)試84-86
• 5.3.4 多層級(jí)LDH納米陣列的析氧性能分析86-87
• 5.4 小結(jié)87-90
• 第六章 多層級(jí)金屬有機(jī)骨架納米陣列的設(shè)計(jì)合成90-100
• 6.1 引言90
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分90-92
• 6.2.1 試劑90-91
• 6.2.2 儀器91
• 6.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟91-92
• 6.2.3.1 Cu(OH)_2納米棒陣列的制備91
• 6.2.3.2 多層級(jí)Cu-MOF納米陣列的制備91
• 6.2.3.3 多層級(jí)Cu-MOF納米陣列的結(jié)構(gòu)表征91-92
• 6.2.3.4 多層級(jí)MOF-2納米陣列對(duì)硝基苯酚的催化還原反應(yīng)92
• 6.2.3.5 空心HKUST-1納米管陣列對(duì)苯甲醇的催化氧化反應(yīng)92
• 6.3 結(jié)果與討論92-99
• 6.3.1 多層級(jí)MOF-2納米陣列的制備及結(jié)構(gòu)分析92-94
• 6.3.2 空心HKUST-1納米管陣列的制備94-95
• 6.3.3 其他類(lèi)型Cu-MOF納米陣列的制備95-97
• 6.3.4 Cu-MOF納米陣列的催化性能研究97-99
• 6.4 小結(jié)99-100
• 第七章 總結(jié)與展望100-102
• 7.1 總結(jié)100-101
• 7.2 展望101-102
• 參考文獻(xiàn)102-116
• 致謝116-118
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文118-120
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介120-121
• 附件121-122

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本文編號(hào)：599159