镍基纳米材料的可控制备与应用研究

发布时间：2020-06-04 13:48

【摘要】：发展电力驱动代替传统化石燃料以及开发利用新能源是目前人类应对环境与能源问题的有效解决途径。其中,高能量密度的锂离子电池与光催化产氢的研究一直备受关注。镍基化合物由于具有高的比容量、良好的催化性能、原料成本低及合成制备简单等优点,在锂离子电池负极材料以及取代贵金属助催剂方面有重要的应用前景。基于此,本论文以镍基纳米材料为核心,主要研究了金属镍及镍基氧、硫化合物的可控制备,并将一维Ni/NiO纳米线和二维NiO纳米片应于锂离子电池中,通过Ni的掺杂和NiO二维结构的多孔化改善了氧化镍电极材料的循环稳定性和首次库伦效率;同时,通过Ni_3S_2的负载极大的增强了CdS半导体的光催化性能,使Ni_3S_2/CdS的光催化产氢速率提高了近70倍。具体的研究成果如下:(1)利用化学还原与磁力组装相结合的方法制备了具有分等级结构的一维Ni纳米线。Ni线的长径比高达200,其表面的镍刺长达500-800 nm。通过调控实验参数发现Ni一维结构的形成为磁力诱导与反应速率共同作用的结果,并阐明了其生长机理为Ni晶核沿着磁力线的定向组装过程,同时晶粒间磁偶极子的相互作用促使颗粒紧密排布,最终得到结构十分稳定的一维Ni纳米线。Ni纳米线的磁化行为受形状各向异性与静磁相互作用共同的影响;由于表面的分等级结构降低了自旋无序,Ni纳米线的饱和磁化强度为61.3 emu/g,这是目前报导的镍纳米结构的最大值。(2)基于柯肯达尔效应和表面扩散机制将一维Ni纳米线氧化制得了NiO纳米中空管。通过控制氧化时间在500℃下制备了Ni/NiO原位复合纳米材料,由于Ni提高了材料的导电性和首次反应进度,Ni/NiO(3 at%Ni)复合材料的首次库伦效率为72%,高于纯NiO的65%;在143.6 mAg~(-1)的电流密度下循环100次后容量为439.6 mAh g~(-1),高于NiO材料的213 mAh g~(-1);可逆容量保持率为31.7%。随着Ni含量的增加,Ni/NiO(9 at%Ni)的初始放电容量减少,首次库伦效率降低(65%),但是充放电性能变好,100次循环后容量为481.1 mAh g~(-1),可逆容量保持率为104.7%。(3)通过一步水热及高温热分解前驱体法合成了具有六边形结构的多孔NiO纳米片。实验发现碱的选择以及浓度、温度的调控是得到片状Ni(OH)_2前驱体的关键。随着退火温度(300℃、500℃、700℃)的升高,NiO纳米片的结晶度提高,孔径尺寸变大,BET比表面积减小,这些因素的综合作用使500℃退火下得到的NiO-500纳米片表现出最高的首次库伦效率和最优的循环性能和倍率性能。(4)首次制得了具有增强光催化活性的Ni_3S_2/CdS复合催化剂,在复合结构中CdS纳米颗粒与Ni_3S_2之间形成紧密的异质结,具有优异的促光生载流子分离和转移的特点。与纯CdS相比,Ni_3S_2/CdS的光催化产氢速率提高了近70倍,并高于1 wt%Pt/CdS的催化活性(1.4倍)。在400 nm处其表观量子效率达到12.3%,并且长时间和多次催化测试后,样品未出现明显活性衰减,表明Ni_3S_2/CdS复合催化剂具有很好的稳定性。
【图文】：

第一章 绪论1.2 镍基纳米材料的制备方法1.2.1 引言镍是一种重要工业原料，在国民经济中具有举足轻重的地位；作为一种铁磁性金属，镍的地壳储量丰富具有非常好的抗腐蚀性能和化学稳定性，在国防、工业、机械制造等方面都具有非常重要的应用。镍基纳米材料包括纳米镍、氧化镍、氢氧化镍以及硫化镍等，镍基纳米材料的原料来源非常丰富而且合成制备较为简便，由于具有优异的磁性能、储能优势、催化性能和传感性能等，镍基纳米材料在磁存储、微波吸收、超级电容器、锂离子电池、加氢催化以及气体传感器等领域都具有重要的应用潜力[14]，如图 1-1 所示。

实现了从简单结构（零维颗粒）到复杂结构（一维核壳、多级结构），单一成分到异质成分，，简单性质到器件应用的转变。近几十年来，各种各样形貌的纳米镍的制备和应用不断被创新。主要的制备方法可归纳为以下几种。（1）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是通过将金属醇盐或无机盐溶解在有机溶剂中，经过水解-聚合反应后形成均匀的溶胶，然后进一步反应使溶胶失去大部分有机溶剂转化为凝胶，再通过热处理去除有机分子最终得到纳米粉体的过程。1989 年 Chatterjee 等[16]首次利用溶胶-凝胶法，制得了在镍的有机复合体中粒径尺寸在 5~11 nm 的镍颗粒。此后，台湾的 Chen 等学者[17]以及印度的 Ojha 等学者[18]分别使用聚丙烯酸和乙醇酸为络合剂，通过溶胶-凝胶法制备了 NiFe2O4纳米颗粒。除此之外，台湾清华大学的学者采用氧化丙烯为络合剂，通过溶胶-凝胶法制备了 Ni-Co-O 纳米颗粒[19]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】

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本文编号：2696478