三维多级纳结构钴酸镍微球的合成及其电化学性能研究

发布时间：2017-11-26 09:05

  本文关键词：三维多级纳结构钴酸镍微球的合成及其电化学性能研究

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【摘要】：随着传统化石燃料的日益耗竭以及日益严峻的环境污染,清洁可再生能源和储能材料引起了人们广泛的研究兴趣。直接甲醇燃料电池(DMFCs)和超级电容器(SCs)具有转化效率高、循环寿命长以及对环境友好等优点,在能源转化与储能领域吸引了人们的广泛关注。过渡金属氧化物NiCo2O4因具有两种固态氧化还原电对可为电极反应提供两种活性中心而有利于提高电极材料的电化学性能,同时NiCo2O4原料丰富且对环境友好而被广泛应用于DMFCs和SCs领域。然而,NiCo2O4电极材料的电化学活性和稳定性仍有待进一步提高。本论文通过无外加碱的简便无模板溶剂热过程及适度焙烧得到了系列三维多级NiCo2O4介孔超薄纳米片微球,研究了所得电极材料的电催化甲醇氧化和超级电容性能,探讨了催化剂的形貌和结构与性能间的联系。论文的主要内容与创新点如下：1、以镍、钴硝酸盐为金属源、水-异丙醇-甲醇三元混合溶剂为反应介质,采用无外加碱的简便无模板溶剂法合成了系列三维多级纳米片镍钴碱式硝酸盐微球前体。系统合成实验表明,异丙醇对空心结构的形成及甲醇对沉淀剂OH-离子和初始纳米片的形成是关键。保持异丙醇用量为68mL,当甲醇与水的体积分别为11和4 mL时,得到三维纳米片空心微球前体：当甲醇与水的体积分别为9和6 mL时,得到三维纳米片实心微球前体。基于时间-依赖实验提出空心微球前体可能的形成机理为由内向外的Ostwald熟化过程。2、上述两种前体经煅烧分别得到了三维多级NiC0204介孔纳米片空心和实心微球。综合表征结果表明,空心微球是由超细NiC0204纳米粒(11.9nm)构成的介孔超薄纳米片自组装而成,其比表面积和孔体积分别为93.4m2.gq和0.368 cm 3·g-1,明显大于对应的实心微球(69.4 m2·g-1,0.294 cm3·g-1)3、电催化甲醇氧化测试结果表明NiCo2O4空心微球具有远高于相应单金属氧化物Co304和NiO实心微球、且明显高于NiCo2O4实心微球的甲醇氧化性能。其电流密度高达95 A.g-,启动电位为0.27 V (vs. SCE),且循环500圈后的电流密度仍保留90%。4、超级电容性能测试结果表明NiCo2O4空心微球具有比实心微球更优异的超级电容性能。其比电容高达1701 F·g-1 (1A·g-1), 15A·g-1下的倍率性能为61.5%,且在10 A·g-1下循环1000圈后的比电容仍保持78.2%。5、NiCo2O4空心微球优异的电化学性能可归因于：1)高的导电性有利于电子在电极中和电极/电解质界面的快速传递；2)大的比表面积不仅为电极反应提供了足够的活性位点也极大地提高了电极/电解质的接触面积；3)相邻介孔超薄纳米片之间形成了大量的开放性孔道,为离子/电解质提供了有利的传输通道;4)空心微球可充当离子“缓冲储存器”缓冲因OH"离子快速嵌入和脱除所导致的张力变化。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36

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