本文關鍵詞：多層級納米陣列的構筑及其電化學性能研究

  更多相關文章： 納米陣列 多層級結構 超級電容器 電催化析氧反應

【摘要】：納米陣列材料由于具有諸多的結構優(yōu)勢,如獨特的表面效應、尺寸易調控、與基底粘結性好等,在鋰離子電池、超級電容器、光電催化劑、多相催化劑、氣體傳感器等領域有著非常廣泛的應用。其中,基于過渡金屬氧化物/氫氧化物的多層級納米陣列,由于其價格低廉、性質穩(wěn)定和結構優(yōu)越等特點,在電化學儲能和催化方面具有尤為矚目的應用前景。本論文圍繞著多層級納米陣列的液相化學合成,以及其在電化學儲能和催化領域中的應用進行了一系列研究。通過二次水熱法、多步沉淀法和犧牲模板轉化法等手段,實現(xiàn)了多種多層級納米陣列的可控合成和陣列的形貌、結構、組分等參數(shù)的調控,最終對其電化學性能進行優(yōu)化和提升。本論文的主要研究內容有以下幾點：1、針對高比容量超級電容器電極材料的開發(fā),通過二次水熱法制備了超薄C0304納米片陣列；通過改變堿源(尿素和六次亞甲基四胺),對納米片陣列的形貌和尺寸進行了調控,并研究了超薄納米片的形貌進化過程及其形成機理。研究了納米片厚度與其超電容性能之間的關系,結果表明,具有超薄結構的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時達到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稱超級電容器,比容量達到108 F·g-1,能量密度為134 Wh·kg-1,表現(xiàn)出了較好的電化學性能。這種構筑超薄納米片結構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發(fā)提供了理論依據(jù)。2、通過構筑多層級納米陣列電極,可有效增加電極活性物質的比表面積和負載量,從而提高電極材料的超電容性能。圍繞著這一目標,我們發(fā)展了一步水熱制備多層級納米陣列的方法,在三維泡沫鎳基底上制備了多層級的CO3O4納米片@納米線陣列。作為超級電容器電極,多層級C0304納米陣列由于具有更加疏松多孔的結構和更小的電阻特性,展現(xiàn)出了比單一結構納米陣列更加優(yōu)越的電化學性能,在5mA·cm-2的充放電電流密度下比容量達到715 F·g-1,高電流密度時(30mA·cm-2)倍率特性達到69%,1000次充放電循環(huán)后容量保持100%,表明其在超電容領域中非常好的應用前景。3、多層級復合材料納米陣列可充分結合各組分的優(yōu)勢,解決超電容電極中活性物質利用率低、面積比容量低等問題。我們設計了多步水熱法,合成了以泡沫鎳為一級結構,C0304納米線陣列為二級模板,NiO納米棒為三級結構的多層級復合金屬氧化物納米線@納米棒陣列。這種多層級復合金屬氧化物納米陣列電極,由于其具有較高的活性物質的負載量(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到39F·cm-2;同時,這種Co3O4@NiO納米線@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%)。多層級陣列結構及多組分的協(xié)同作用是實現(xiàn)超高面積容量的關鍵因素,這為超級電容器的實際應用打下了基礎。4、多層級納米陣列在電催化領域中也有良好的結構優(yōu)勢,可有效解決催化劑在電化學反應過程中活性組分不穩(wěn)定、氣體溢出慢等問題。我們利用二次水熱法成功制備了多層級、具有超薄結構的NiCoFe-LDH納米片陣列,研究了反應物鐵源的加入量對水滑石納米片的負載量和孔隙率的影響。多層級超薄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,過電勢僅為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。多層級超薄LDH納米陣列的構筑提高了電極活性物質的比表面積和孔隙率,同時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；電荷的快速擴散轉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骨架材料(MOFs)結合,制備了MOF基納米陣列復合材料,解決了MOF顆粒催化劑的不穩(wěn)定和易團聚等問題。通過兩步反應法,以Cu(OH)2納米棒陣列為犧牲模板,利用有機配體的作用在其表面原位溶出Cu2+,然后配位轉化得到Cu-MOF晶體,制備出了一系列多層級的Cu-MOF納米陣列；當選用不同類型的羧酸配體時,制備得到的銅基MOF陣列展現(xiàn)出了不同的結構和形貌特性。作為結構化的催化劑,由于Cu(OH)2納米棒陣列起到很好的支撐和穩(wěn)定作用,結合MOF本身的金屬活性位點,多層級Cu(OH)2@MOF-2納米陣列在對硝基苯酚的還原反應中展現(xiàn)出了較好的催化性能,反應3 mmin時轉化率達到100%；另外,空心HKUST-1納米管陣列對苯甲醇的氧化反應也具有較高的轉化率(反應6h時,約為70%)及循環(huán)穩(wěn)定性(重復使用5次,活性沒有明顯降低)。這種多層級復合物納米陣列的設計合成思路,為開發(fā)新型的MOF基納米陣列器件提供了很好的思路。
【關鍵詞】：納米陣列 多層級結構 超級電容器 電催化析氧反應
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 學位論文數(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 多層級納米陣列概述25-26
• 1.3 多層級納米陣列的應用26-39
• 1.3.1 超級電容器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 多層級納米陣列的電化學優(yōu)勢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 實驗部分43-46
• 2.2.1 試劑43
• 2.2.2 儀器43-44
• 2.2.3 實驗步驟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納米片陣列的結構表征45
• 2.2.3.3 超薄Co_3O_4納米片陣列的超電容性能測試45-46
• 2.3 結果與討論46-55
• 2.3.1 超薄Co_3O_4納米片陣列的設計合成及結構分析46-49
• 2.3.2 超薄Co_3O_4納米片陣列的形貌演變過程49-50
• 2.3.3 超薄Co_3O_4納米片陣列的超電容性能測試50-52
• 2.3.4 Co_3O_4/活性炭非對稱超級電容器的性能測試52-53
• 2.3.5 超薄Co_3O_4納米片陣列的結構特點與電化學性能之間的關系53-55
• 2.4 小結55-56
• 第三章 多層級Co_3O_4納米陣列的構筑及其增強的超電容性能研究56-66
• 3.1 引言56
• 3.2 實驗部分56-58
• 3.2.1 試劑57
• 3.2.2 儀器57
• 3.2.3 實驗步驟57-58
• 3.2.3.1 多層級Co_3O_4納米片@納米線陣列的制備57
• 3.2.3.2 多層級Co_3O_4納米片@納米線陣列的結構表征57
• 3.2.3.3 多層級Co_3O_4納米片@納米線陣列的電化學性能測試57-58
• 3.3 結果與討論58-64
• 3.3.1 多層級Co_3O_4納米陣列的制備及結構分析58-59
• 3.3.2 多層級Co_3O_4納米陣列的生長過程研究59-61
• 3.3.3 多層級Co_3O_4納米陣列的超電容性能測試61-63
• 3.3.4 多層級納米陣列電極的電化學機理分析63-64
• 3.4 小結64-66
• 第四章 多層級Co_3O_4@NiO納米陣列的構筑及其超高面積容量研究66-78
• 4.1 引言66
• 4.2 實驗部分66-68
• 4.2.1 試劑67
• 4.2.2 儀器67
• 4.2.3 實驗步驟67-68
• 4.2.3.1 多層級Co_3O_4@NiO納米線@納米棒陣列的制備67
• 4.2.3.2 多層級Co_3O_4@NiO納米線@納米棒陣列的結構表征67
• 4.2.3.3 多層級Co_3O_4@NiO納米陣列的電化學性能測試67-68
• 4.3 結論與討論68-76
• 4.3.1 多層級納米陣列的制備及結構分析68-72
• 4.3.2 多層級納米陣列的超電容性能分析72-75
• 4.3.3 多層級Co_3O_4@NiO納米陣列的結構與電化學性能之間的關系75-76
• 4.4 小結76-78
• 第五章 多層級LDH納米陣列的構筑及電催化析氧性能研究78-90
• 5.1 引言78-79
• 5.2 實驗部分79-80
• 5.2.1 試劑79
• 5.2.2 儀器79
• 5.2.3 實驗步驟79-80
• 5.2.3.1 多層級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NiCoFe-LDH納米陣列的結構表征79-80
• 5.2.3.4 多層級NiCoFe-LDH納米陣列的電催化性能測試80
• 5.2.3.5 電極表面氣泡粘附力測試80
• 5.3 結果與討論80-87
• 5.3.1 多層級NiCoFe-LDH納米陣列的制備及結構分析81-84
• 5.3.2 NiCoFe-LDH納米顆粒的制備及結構分析84
• 5.3.3 多層級NiCoFe-LDH納米陣列的析氧性能測試84-86
• 5.3.4 多層級LDH納米陣列的析氧性能分析86-87
• 5.4 小結87-90
• 第六章 多層級金屬有機骨架納米陣列的設計合成90-100
• 6.1 引言90
• 6.2 實驗部分90-92
• 6.2.1 試劑90-91
• 6.2.2 儀器91
• 6.2.3 實驗步驟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Cu-MOF納米陣列的制備91
• 6.2.3.3 多層級Cu-MOF納米陣列的結構表征91-92
• 6.2.3.4 多層級MOF-2納米陣列對硝基苯酚的催化還原反應92
• 6.2.3.5 空心HKUST-1納米管陣列對苯甲醇的催化氧化反應92
• 6.3 結果與討論92-99
• 6.3.1 多層級MOF-2納米陣列的制備及結構分析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99-100
• 第七章 總結與展望100-102
• 7.1 總結100-101
• 7.2 展望101-102
• 參考文獻102-116
• 致謝116-118
• 研究成果及發(fā)表的學術論文118-120
• 作者及導師簡介120-121
• 附件121-122

，

本文編號：599159