去合金化制备纳米多孔双金属氧化物及其电化学性能研究

发布时间：2017-05-04 05:05

  本文关键词：去合金化制备纳米多孔双金属氧化物及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纳米多孔材料因其极大的比表面积、稳定的双连续结构、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性,赋予其优异的物理、化学及力学性能,使其在催化、传感、燃料电池、生物医学、微流体、微观力学等领域具有巨大的应用前景。本论文旨在通过去合金化对过渡态金属氧化物进行多孔化构造和复合化设计以提高其作为赝电容电极材料的电化学性能和稳定性。本论文主要采用不同种类及成分的三元合金去合金化制备多孔合金,然后退火获得具有三维双连续纳米多孔结构的双金属氧化物,并考察其电化学性能。通过真空熔炼与快速凝固获得不同成分的Ni-Co-Al合金由不同相组成。其去合金化需较高的Al临界阈值,合金相组成对去合金化有重要影响,含有Al_(70)Co_(15)Ni_(15)三元准晶相的Ni_(10)Co_20Al_(70)和Ni_(6.7)Co_(13.3)Al_(80)合金不能完全去合金化,由α-Al与Al_9Co_2两相的Ni_(3.3)Co_(6.7)Al_(90)和Ni_(1.7)Co_(3.3)Al_(95)合金在两相协同腐蚀下,去合金化获得厚度约10~20 nm片状骨架结构的双连续纳米多孔结构,其中Ni_(1.7)Co_(3.3)Al_(95)合金较Ni_(3.3)Co_(6.7)Al_(90)合金获得的骨架尺寸和孔隙尺寸更为细小,经350℃退火处理获得三维双连续的纳米多孔Ni Co_2O_4,在1 A·g~(-1)电流密度下,两者比容量分别达755 F·g~(-1)和663 F·g~(-1),当电流密度增加至20 A·g~(-1),其比容保持率分别达76.6%和73.6%,在4 A·g~(-1)电流密度下循环充放电1000次,其比容保持率可达93.9%和95.5%,良好的循环稳定性益于三维双连续的多孔结构赋予电极材料良好的机械稳定性。合金成分与相组成对Ni-Mo-Al合金去合金化同样具有重要影响,含有三元相Al_(7.51)Mo_(1.070Ni_(1.42)的Ni_(15)Mo_(15)Al_(70)和Ni_(10)Mo_(10)Al_(80)合金未能获得理想双连续纳米多孔结构,由α-Al相与Al3Ni相组成Ni_5Mo_5Al_(900和Ni_(2.5)Mo_(2.5)Al_(95)合金在两相协同腐蚀下,获得的双连续纳米多孔结构,Mo元素对去合金化具有钉扎作用,可减小多孔合金的骨架尺寸和孔隙尺寸。经600℃退火处理获得三维双连续的纳米多孔Ni MoO_4,其在1 A·g~(-1)电流密度下,比容量分别达708 F·g~(-1)和618 F·g~(-1),当电流密度增加至20 A·g~(-1),其比容保持率分别达57.1%和55.0%,在4 A·g~(-1)电流密度下循环充放电1000次,其比容保持率可达91.2%和90.7%,表现出良好的电化学性能和循环稳定性。Ni_(3.3)Co_(6.7)Mn_(90)前驱体合金条带为Mn相单相固溶体合金,经NH_4Cl溶液去合金化可获得三维双连续的纳米多孔Ni-Co合金,其骨架尺寸约为40~80 nm,孔径尺寸约为30~50nm。退火后,保留了三维双连续纳米多孔形貌,形成多晶态纳米多孔Ni Co_2O_4,其在1 A·g~(-1)电流密度比容量达674 F·g~(-1),当电流密度增加至20 A·g~(-1),其比容保持率达72.0%。在4 A·g~(-1)电流密度下循环充放电1000次,其比容保持率达92.9%,表现出良好的电化学循环稳定性。
【关键词】：去合金化 纳米多孔 双金属氧化物 电化学性能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O646
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 去合金化的研究与发展12-17
• 1.2.1 去合金化法的历史12
• 1.2.2 去合金化制备纳米多孔材料的机理12-14
• 1.2.3 去合金化制备纳米多孔材料的研究进展14-17
• 1.3 超级电容器的原理与分类17-19
• 1.3.1 双电层电容器17-18
• 1.3.2 赝电容器18-19
• 1.4 超级电容器材料及其研究进展19-25
• 1.4.1 碳基材料19-21
• 1.4.2 金属氧化物/氢氧化物21-24
• 1.4.3 导电聚合物24-25
• 1.5 本课题的研究意义和研究内容25-27
• 1.5.1 研究意义25-26
• 1.5.2 研究内容26-27
• 第2章 实验材料及实验方法27-32
• 2.1 实验材料及设备27-28
• 2.2 材料制备28-29
• 2.2.1 合金的熔炼28
• 2.2.2 快速凝固制备合金条带28-29
• 2.2.3 去合金化实验29
• 2.2.4 后续退火29
• 2.3 材料的结构表征29-30
• 2.3.1 X射线衍射分析29-30
• 2.3.2 扫描电子显微镜30
• 2.3.3 透射电子显微镜30
• 2.4 电化学测试30-32
• 2.4.1 电极制备方法30
• 2.4.2 循环伏安测试30-31
• 2.4.3 恒电流充放电测试31-32
• 第3章 Ni-Co-Al去合金化制备纳米多孔NiCo_2O_4及其电化学性能32-47
• 3.1 引言32-33
• 3.2 三维双连续纳米多孔NiCo_2O_4电极材料的制备33
• 3.3 结果与讨论33-46
• 3.3.1 Ni-Co-Al前驱体合金条带的物相组成33-34
• 3.3.2 Ni-Co-Al去合金化后的物相分析34-36
• 3.3.3 Ni-Co-Al去合金化后的微观结构分析36-40
• 3.3.4 纳米多孔NiCo_2O_4的微观结构与形貌40-43
• 3.3.5 纳米多孔NiCo_2O_4的电化学性能测试43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 Ni-Mo-Al去合金化制备纳米多孔NiMoO_4及其电化学性能47-60
• 4.1 引言47-48
• 4.2 三维双连续纳米多孔NiMoO_4电极材料的制备48
• 4.3 结果与讨论48-58
• 4.3.1 Ni-Mo-Al前驱体合金条带的物相组成48-49
• 4.3.2 Ni-Mo-Al去合金化后的物相分析49-51
• 4.3.3 Ni-Mo-Al去合金化后的微观结构分析51-54
• 4.3.4 纳米多孔NiMoO_4的微观结构与形貌54-56
• 4.3.5 纳米多孔NiMoO_4的电化学性能测试56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第5章 Ni-Co-Mn去合金化制备纳米多孔NiCo_2O_4及其电化学性能60-68
• 5.1 引言60
• 5.2 三维双连续纳米多孔NiCo_2O_4电极材料的制备60-61
• 5.3 结果与讨论61-67
• 5.3.1 Ni-Co-Mn前驱体合金条带的物相组成61
• 5.3.2 Ni-Co-Mn去合金化后的物相分析61-63
• 5.3.3 Ni-Co-Mn去合金化后的微观结构分析63-64
• 5.3.4 纳米多孔NiCo_2O_4的微观结构与形貌64-66
• 5.3.5 纳米多孔NiCo_2O_4的电化学性能测试66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-78
• 致谢78-79
• 附录A 攻读学位期间待发表的学术论文79

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本文编号：344430