二维镍基纳米材料的合成与组装及其催化性能研究

发布时间：2020-05-30 19:14

【摘要】：二维纳米材料由于原子级厚度和微米级平面尺寸,提供了更高的比表面积,更多暴露的表面活性位点和优异的电子转移能力,在催化领域的应用表现出巨大的优势。其中,二维过渡金属(氢)氧化物因为来源丰富、成本低廉、活性高等特点,同时结合二维薄片的结构优势和过渡金属的高活性而受到广泛关注。而如何通过简单有效的合成方法对催化活性位点进行调控,减少二维纳米片在催化反应过程中发生的团聚和失活,提高结构稳定性,同时保证优异的电子转移能力,是获得先进二维催化材料的关键技术。本论文以二维镍基(氢)氧化物为研究对象,制备了一系列具有特殊形貌、新颖结构的纳米片组装结构,探索了其在催化(尤其是电催化)领域的应用,深入研究了材料结构与性能之间的构效关系,为合理设计具有优异稳定性,高孔隙率和良好导电性的先进催化材料提供了理论和实验依据。本论文的研究包括三类不同结构和组成的镍基纳米片组装材料的设计制备方法及其催化性能研究,主要结论为:(1)采用溶剂诱导插层技术,通过温和的一步水热法制备由超薄纳米片组装而成的层状α-Ni(OH)2。在合成过程中,溶剂(乙二醇,丙二醇,丁二醇)不仅起到了结构导向剂的作用,促进了层状结构的形成,而且还被用作插层剂以控制超薄纳米片的层间距。这种自组装的层状结构避免了超薄纳米片的团聚,同时保持了其原子级厚度和高表面积。二元醇分子的插入提供了更大的层间距并暴露了更多的内部活性位点。本实验中催化剂提供了更多的活性位点,这不仅来源于超薄纳米片的大比表面积,同时来源于通过层间距的调整而暴露的更多的内部空间和活性位点,保证了催化剂的高活性,在对硝基苯酚的还原反应中表现出极优异的催化性能。(2)使用温和的两步水热法,构建以镍泡沫为基底的新型三维自支撑NiO@NiMoO4核-壳结构。将泡沫镍上彼此交联的超薄NiO纳米片作为核,进一步将微小的NiMoO4纳米片均匀地锚固在NiO纳米片上以形成壳。这种由初级和次级超薄纳米片紧密结合组成的核壳结构有效地避免了单独生长超薄纳米片时的易团聚问题,同时提高了催化剂的导电性,极大地改善了电化学过程中的结构稳定性。该纳米片组装结构具有较差的结晶度和超薄特征,增加了其结构紊乱的程度,暴露出更多的电化学活性位点。具有高度多孔结构的两种超薄纳米片,其大的活性表面积进一步促进了催化活性位点的暴露,并在电解质离子和电催化剂之间提供了大量的扩散通道。NiO@NiMoO4纳米片的高比例氧空位也有助于提高电催化性能。(3)通过简单温和的自模板法成功合成了由纳米片组装而成的空心镍铁氢氧化物。包括两个步骤:首先通过温和的水热法制备得到Ni(OH)2纳米球前驱体,进一步通过加入铁源将其转化为最终的空心球结构。这种超薄纳米片组成的NiFe氢氧化物薄壁空心球,提供了更多电解质和02的传质通道以及超高的比表面积,加快了离子和电子的传输速度。此外,在加入Fe3+后,该结构的导电性和结构稳定性得到了极大的改善,在电催化反应过程中表现出优异的电催化性能和结构稳定性。
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二维晶体在有限温度下存在。逡逑２００４年，Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人首次从高定向热解石墨上通过特制胶带逡逑剥离出单层二维石墨纳米片［２］（图２－１），开启了二维纳米材料的新纪元。石逡逑墨烯的问世预示着更多类型的具有优异物理性能和较高研宄价值的单原子或逡逑多原子层的二维纳米结构能够通过破坏宏观材料层间作用力的方式获得。随逡逑着科学家们对石墨烯在实验和理论研究方面的不断深入，发现石墨烯具有非逡逑同寻常的物理化学性质和独特的电子结构。由于其独特的单原子结构，石墨逡逑烯具有许多特异的光、电、热、力学性能。石墨烯密度低，是一种超轻材料，逡逑具有优异的光学性能、导电性能、抗拉强度。将其制成微型传感器之后，，可逡逑－３－逡逑

等通过一种新颖的自牺牲模板法合成厚度约２邋ｎｍ的非层状黄铜矿型ＣｕＩｎＳｅ２逡逑纳米片［３３］。反应过程中通过Ｉｎ３＋刻蚀先前生成的ＣｕＳｅ模板，最终演化成原逡逑子级厚度的ＣｕＩｎＳｅ２纳米片，如图２－２所示。逡逑恀桯逡逑（00１）邋ｃｕｓ．逦ｍ）ｃｕｌｎｉｔｌ逡逑Ｂ逡逑＾邋ＣｕＳｅ（ｍ邋％逦ＣｕｌｎＳｅＪ（１１１）逡逑ｘ＿ｊＣｉ（Ｓｉ！ｐａ＞逡逑ｔ邋Ｆ邋５逡逑ｇ‘

本文编号：2688589