纳米结构镁的制备及电化学性能研究

发布时间：2018-01-31 06:13

本文关键词： 纳米多孔镁镁纳米颗粒镁纳米线物理气相沉积法　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：纳米多孔金属材料是一种新型的功能材料,因为其独特的双连续“骨架-孔隙”纳米结构而具有了许多特殊的性能,在传感探测、催化和能量存储等领域均有着极大的应用价值。但是目前对于纳米多孔金属材料的研究主要集中在化学稳定性较高的金属,对于活泼的金属材料,如纳米多孔金属Mg,其制备及表征目前尚缺乏系统的研究。因此,本文展开了对活泼金属纳米多孔Mg的制备、表征及电化学性能研究。传统纳米多孔金属材料的制备方法一般分为模板法和去合金化法,分别利用了电化学还原和电化学腐蚀等原理。但是作为活泼金属,Mg很容易被腐蚀,所以采用电化学还原和电化学腐蚀方法均不适合于纳米多孔Mg的制备。因此本文拟探索采用气相沉积法来制备纳米多孔Mg。利用气相沉积法,本文首先制备出了Mg纳米颗粒。其制备工艺为在500～600 ℃、80～120 cm3·min-1的Ar气氛下蒸发Mg粉,在水冷铜箔基底上沉积。得到的Mg纳米颗粒的粒径为10～50 nm。其次,通过控制蒸发温度、气氛浓度及沉积基底等参数,成功制备出了Mg纳米线,其制备工艺为在高真空下蒸发Mg粉在不锈钢网基底上沉积。得到的Mg纳米线的直径约75 nm,长度约1.25 μm。结果表明,真空度对Mg纳米线的形成有着决定性的影响。同时,随着蒸发温度的升高和沉积位置的远离,Mg纳米线变粗变长,最终转变为Mg微米颗粒。利用键长-结合能理论对Mg纳米线的形成过程进行了解释,并提出了其沿着[1 1-20]晶体学方向‘生长的生长机制。在Mg纳米颗粒和Mg纳米线的制备工艺基础上,通过改变沉积模式,本文首次制备出了蜂窝状纳米多孔Mg。其制备工艺为在垂直模式下,在真空度10-1Pa,蒸发温度500℃条件下蒸发Mg粉,在高度11 cm的不锈钢网基底上沉积。得到的蜂窝状纳米多孔Mg由柱状晶构成,其柱状晶底部呈辐射状形态,迎着气流方向以层状模式生长,并在其顶部形成形状规则孔径120～380 nm的纳米孔。柱状晶在生长过程中具有择优取向,为Mg晶体的[0001]方向。利用同步辐射微米成像、同步辐射纳米成像及3D-FIB等先进表征技术对蜂窝状纳米多孔 Mg的内部结构进行了表征,发现其内部存在三个级别的孔隙,分别为孔径2.5～3.0μm的微米孔、孔径280～475 nm的纳米孔和孔径110 nm的纳米孔,相应的孔隙率计算值分别为11.9～18.6%、6.5～10.5%以及2.1%。根据上述实验结果,提出了空位辅助原于沉积机制,对蜂窝状纳米多孔Mg的形成过程进行了解释：Mg蒸气中存在着大量的Mg原子及Mg原子团,这些Mg原子及Mg原子团在凝华为固态Mg晶体时,由于Mg蒸气中存在大量的空位,使得生成的Mg晶体中出现大量空洞,并且Mg晶体生长具有显著的择优取向,从而形成具有一定取向的纳米多孔Mg柱状结构。在蜂窝状纳米多孔Mg制备基础上,通过添加辅助气体,成功制备出了羽毛状纳米多孔Mg。其制备工艺为在3 Pa乙醇蒸气、550℃蒸发温度条件下蒸发Mg粉,在高度12 cm不锈钢网基底上沉积。生成的产物低倍下呈现多孔的特征,孔径约3.3-9.4 gm,而在高倍下呈现羽毛状纳米结构的特征,利用同步辐射纳米成像及3D-FIB对羽毛状纳米多孔Mg的内部结构进行了表征。结果表明,其内部存在两种级别的孔隙,分别为孔径1.33μm的微米孔和孔径为385 nm的纳米孔,其相应的孔隙率计算值分别为72%和80%。最后,对蜂窝状纳米多孔Mg和羽毛状纳米多孔Mg的电化学性能进行了测试。结果表明,在NaCl溶液中,蜂窝状纳米多孔Mg和羽毛状纳米多孔Mg具有较低的电极电势,分别为-1.4 V和-1.55 V,且具有极为优异的析氢性能。本文的研究对纳米多孔金属材料和纳米结构Mg材料的发展与应用具有重要的理论意义和实用价值。
[Abstract]:In this paper , the preparation , characterization and electrochemical properties of Mg nanowires are studied . On the basis of the experimental results , a large amount of Mg atoms and Mg atoms in Mg vapor have been prepared . The results show that there are a large amount of Mg atoms and Mg atoms in Mg vapor .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.22;TB383.1

【参考文献】