基于水滑石构筑复合薄膜材料及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-16 15:36

  本文关键词：基于水滑石构筑复合薄膜材料及其电化学性能研究

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【摘要】：层状双金属氢氧化物(LDH,简称水滑石)是一类环境友好型的阴离子型层状化合物,具有主体层板金属元素和层间阴离子可交换、长径比可调、层板带正电荷等独特的理化性质,在阻燃剂、热稳定剂、催化、生物材料等领域取得了广泛的应用。近年来,水滑石在电化学能量储存与转换方面的研究及应用受到了研究者们的广泛关注。本论文以水滑石基复合薄膜材料为研究对象,通过调控水滑石的金属元素组成、长径比、主客体之间的相互作用力等,在导电玻璃及石墨烯基底上分别制备了LDH层板平行及垂直取向的薄膜电极材料,实现了水滑石基复合薄膜材料的可控制备。对其结构及形貌进行了表征,探索了此类薄膜材料的结构与性能之间的构效关系,揭示了该类薄膜中主体与客体分子的协同效应及性能强化的关键科学问题。本论文主要研究内容如下：1.(PEDOT:PSS/LDH)n薄膜的组装及电致变色性能研究采用尿素水热法制备了高结晶度、单分散的MgAl-LDH纳米粒子,在甲酰胺中剥层后,获得了表面带正电荷的单层LDH纳米片。利用层层组装技术,将LDH纳米片与带负电荷的聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为构筑基元,制备了(PEDOT:PSS/LDH)n无机/有机复合薄膜材料,并研究了其电致变色性能。(PEDOT:PSS/LDH)n具有长程有序的无机/有机超晶格结构,有效抑制了活性组分PEDOT:PSS的聚集,且LDH层板之间的二维通道有助于实现电解质离子的快速扩散。相比较于无序团聚的P EDOT:PSS薄膜电极材料,(PEDOT:PSS/LDH)n薄膜的电致变色性能得到了显著改善：其着色、褪色时间分别为0.27/0.18 s、着色效率为159 cm2/C、光学对比度为32%。2.自支撑LDH/rGO薄膜的制备及超电容性能研究采用原位生长法,在超声波的辅助下在氧化石墨烯GO纳米片两侧制备了垂直生长的CoAl-LDH阵列,得到具有三明治结构的LDH/GO复合材料。进一步利用真空抽滤技术制备了自支撑LDH/GO薄膜材料,在水合肼蒸汽中还原后获得了LDH/rGO电极材料,并研究了其超电容性能。CoAl-LDH具有较高的电化学活性,可为电化学反应提供大量的活性位点；而rGO的导电性较好,有助于实现快速的大电流充放电；三明治结构具有较高的比表面积及丰富的孔道结构,提高了活性组分的利用率。二者的结合有利于充分发挥组分间的协同效应,显著提高材料的超电容性能。与rGO相比,LDH/rGO电极材料的充放电性能得到了明显提升,当电流密度1 A/g时,其比电容Csp为34OF/g。
【关键词】：水滑石 薄膜 二维层状结构 电致变色 超电容
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-36
• 1.1 二维层状结构LDH14
• 1.2 LDH概述14-17
• 1.2.1 LDH的组成14-15
• 1.2.2 LDH的理化性质15-17
• 1.2.2.1 碱性15-16
• 1.2.2.2 层间客体分子(阴离子)的交换性16
• 1.2.2.3 热稳定性16
• 1.2.2.4 长径比可调16
• 1.2.2.5 记忆效应16-17
• 1.3 层状结构LDH的制备17-21
• 1.3.1 成核-晶化隔离法17-18
• 1.3.2 电化学合成法18-19
• 1.3.3 超声波法19-20
• 1.3.4 原位生长法20-21
• 1.4 层状结构LDH的应用21-27
• 1.4.1 催化剂材料22-23
• 1.4.2 生物功能材料23-24
• 1.4.3 紫外阻隔材料24-25
• 1.4.4 气体阻隔材料25-26
• 1.4.5 电化学电极材料26-27
• 1.5 LDH基薄膜材料的构筑方法27-33
• 1.5.1 原位生长方法27-28
• 1.5.2 旋转涂膜法28-29
• 1.5.3 电化学合成法29
• 1.5.4 层层组装法29-33
• 1.6 本课题的研究内容、目的和意义33-36
• 第二章 LDH基无机-有机复合膜的制备及电致变色性能研究36-54
• 2.1 引言36-37
• 2.2 实验部分37-39
• 2.2.1 化学试剂及材料37-38
• 2.2.2 MgAl-NO_3 LDH纳米薄片的制备方法38
• 2.2.3 PEDOT：PSS/MgAl-LDH超薄薄膜的组装及制备38-39
• 2.3 仪器表征技术39
• 2.4 结果与讨论39-53
• 2.4.1 LDH纳米片的结构与形貌表征39-40
• 2.4.2 (PEDOT：PSS/LDH)_n薄膜的结构与形貌的表征40-42
• 2.4.3 (PEDOT：PSS/LDH)_n薄膜电致变色性能42-53
• 2.5 本章小结53-54
• 第三章 自支撑水滑石基复合薄膜的制备及超级电容器性能研究54-70
• 3.1 引言54-55
• 3.2 实验部分55-57
• 3.2.1 实验药品55
• 3.2.2 氧化石墨烯的制备55-56
• 3.2.3 多级结构水滑石/石墨烯复合材料的制备56-57
• 3.2.3.1 多级结构MgAl-LDH/GO复合材料的制备56
• 3.2.3.2. 多级结构CoAl-LDH/GO复合材料的制备56-57
• 3.2.4 自支撑多级结构LDH/rGO复合薄膜的制备57
• 3.3 仪器表征技术57
• 3.4 结果与讨论57-68
• 3.4.1 氧化石墨烯材料的结构表征57-60
• 3.4.2 多级结构MgAl-LDH/GO复合材料的结构表征60-62
• 3.4.3 多级结构CoAl-LDH/GO复合材料的结构表征62-63
• 3.4.4 自支撑多级结构LDH/rGO复合薄膜的结构表征63-66
• 3.4.5 自支撑多级结构LDH/rGO复合薄膜的电化学表征66-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第四章 结论70-72
• 本论文创新点72-74
• 参考文献74-84
• 致谢84-86
• 研究成果及发表的学术论文86-88
• 作者和导师简介88-89
• 北京化工大学专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书89-90

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