新型过渡金属氧化物微纳结构的构筑及其相关性能研究

发布时间：2018-03-20 22:56

本文选题：过渡金属氧化物　切入点：纳米材料　出处：《河北工业大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：具备多样形貌、独特物理化学性质的过渡金属氧化物微纳米材料,在环境能源领域,比如超级电容器、电化学传感器和光催化剂等方面有着广阔的应用前景。开发新的过渡金属氧化物微纳米材料的合成方法,研究材料生长过程,进而获得具有特定形貌、维度、尺寸的微纳米材料,对于探索材料的微纳结构与性能之间的关系,以及进一步拓宽金属氧化物的应用范围具有重要的意义。在过渡金属氧化物中,四氧化三钴(Co_3O_4)、氧化镍(Ni O)、钴酸镍(Ni Co_2O_4)、氧化铜(Cu O)等代表性氧化物在光、电、磁等应用中表现优异,因而获得了广泛的研究。本论文采用水热法、原位生长法和阳极氧化法等简单、低能耗的合成方法成功实现了过渡金属氧化物微纳米材料的可控制备,并研究了其在超级电容器、非酶葡萄糖传感器和光催化方面的性能。本论文主要创新性研究结果如下:(1)以氯化钴、氯化镍和硝酸铵为原料,通过简单的水热法和后续热处理在不锈钢基底上大面积合成了复合纳米网-片Ni Co_2O_4多孔材料。其中硝酸铵提供的NH4+有利于Co(OH)_2和Ni(OH)_2的成核-生长速率一致。通过改变实验参数,如投料比,可以实现不同组分和形貌的NixCo_(3-x)O_4可控制备。对比多种形貌的NixCo_(3-x)O_4的电化学性能研究结果表明,调控其形貌结构和孔径分布对超级电容器的性能有很大的影响。其中,由超薄纳米片和纳米网自组装成的多孔网状Ni Co_2O_4具有最好的电化学性能,在10 A g~(-1)电流密度下循环10000圈后其容量保持率高达94.8%。(2)以铜箔为基底和铜源,通过原位生长法成功合成了管状Cu(OH)_2前驱体材料,通过后续热处理前驱体制备了具有规则形貌和超大比表面积的Cu O多孔纳米管。通过观察不同反应时间段的中间产物来详细研究了形貌演变的过程。将得到的多孔Cu O纳米管应用到超级电容器中,该电极材料在1 A g-1电流密度下的比容量高达442 F g~(-1),循环充放电5000圈后比电容仅损失了4.6%。此外,Cu O纳米管对葡萄糖的电氧化反应的性能通过循环伏安法进行了充分研究。在+0.55 V工作电位下对葡萄糖的计时安培检测,由Cu O纳米管/铜箔直接用作电极展现出超低的检测限(可低至1.07μM(S/N=3)),和伴随优良灵敏度(2231μA m M-1 cm-2,R=0.999)的宽范动态范围(线性响应可达3 m M)。而且,在干扰物的正常生理水平浓度下,来自坏血酸(AA)、尿酸(UA)、尿素、乳糖、氯化钠的干扰可以忽略不计,证明了Cu O纳米管/铜箔电极高定向的选择性。以上结果表明,Cu O纳米管/铜箔电极在多种应用中是一种潜力很大的功能材料。(3)以铜箔为铜源,利用简单的碱性溶液氧化法在加入不同表面活性剂的条件下合成了花状、球状、珊瑚状等三种不同形貌结构的Cu O纳米材料。测量其在碱性溶液中的电容性能,三种形貌的Cu O电极均表现出了良好的法拉第赝电容特性,通过循环伏安法和恒电流充放电技术测得花状电极的比电容最大(615 F g~(-1),在5m V s~(-1)的扫描速率下;520 F g~(-1),在1 A g~(-1)的电流密度下)。花状Cu O电极具有如此优异的电化学性能是来自于它的三维自组装结构,这种结构的Cu O纳米花不仅可以缓冲充放电过程中的体积变化以维持材料结构的完整性,而且还缩短了OH~-的扩散路径。(4)采用工艺简单、成本低廉的电化学阳极氧化法,以基底铜网为铜源,首次在其表面原位生长出一层类石墨烯状的Cu(OH)_2超薄纳米片薄膜。通过SEM、TEM和HRTEM等表征手段证实了经过退火处理的Cu(OH)_2脱水转变成Cu O,样品形貌仍然保持相互交联的纳米片薄膜。电化学超电容测试表明合成的Cu O薄膜电极具有很好的倍率特性和循环稳定性,是一种潜在的超电容电极。此外,制备的Cu O薄膜还表现出良好的光催化特性。与商业粉体Cu O相比,所合成的产物表现出较快的降解速率,在可见光照射60分钟后亚甲基蓝的降解率可达99%,这一值远远高于商业粉体Cu O(相同时间内其降解率为54%)。
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【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

【参考文献】