水热法制备无机微纳空心球及其性能研究

发布时间：2020-08-04 05:30

【摘要】：无机氧化物功能材料广泛地应用于各种领域。将无机氧化物构建为具有低密度,高比表面积的空心球结构材料可以极大的提高无机氧化物材料的各项性质。目前,各类无机微纳空心球已广泛地应用在光催化剂、电池电极、气敏器件等相关领域。单种元素的无机微纳空心球如氧化锌(ZnO)、氧化镍(NiO)等,由于其内部的能带或者晶体结构的局限,往往达不到理想的性能,而将少量的金属元素掺杂进入一种无机微纳空心球中可以提高相关性甚至能扩展其在其他领域的应用。本论文主要采用水热一步法分别制备出ZnO空心球、NiO空心球和Zn掺杂NiO空心球。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射分析(XRD)、紫外可见漫反射(UV-DRS)分析、X射线光电子光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)等测试方法对产物进行表征,同时研究了不同聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的用量对空心球形貌的影响,研究了ZnO空心球的可见光光催化降解甲基橙有机染料溶液性能和ZnO空心球、NiO空心球、Zn掺杂NiO空心球的电化学性能。主要研究成果如下:(1)以硝酸锌为原料,尿素为沉淀剂,聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂,利用水热一步法制备出了前驱体/C球复合微球,再经过后续的煅烧过程(煅烧温度为500℃)制备得到粒径约为2μm,壁厚约为50nm的ZnO空心球。研究了不同聚乙烯吡咯烷酮用量对空心球形貌的影响,结果表明,当PVP用量为0.13g时,得到的ZnO空心球形貌最佳。以甲基橙有机染料溶液作为目标污染物,以H_2O_2为助催化剂,研究了不同活性物质5mL H_2O_2、商业ZnO粉末、5mL H_2O_2+ZnO粉末和5mL H_2O_2+ZnO空心球在可见光的照射下对甲基橙有机染料溶液的光催化降解效果,结果表明对甲基橙有机染料溶液的降解效果为ZnO空心球商业ZnO粉末,ZnO空心球对甲基橙有机染料溶液的最高降解率在160min可达到99%,而商业ZnO粉末在225min内也只能达到45%。通过循环伏安(CV)测试、交流阻抗(EIS)测试和恒电流充放电(GCD)测试,对比了商业ZnO粉体,不同PVP用量的ZnO空心球可以得出,当PVP用量为0.13g时的ZnO空心球电化学活性最佳。不加入PVP用量得到的ZnO空心球在5mV/s的电位扫速下比容量为68.92F/g,高于ZnO粉体的37.32F/g的比容量。而在PVP用量为0.13g时,在5mV/s的扫速下可达到最高的比容量为241.6F/g,GCD测试也可得出加入0.13g PVP的ZnO空心球在0.5A/g的充放电电流密度下,比容量为137.467F/g,且在循环1000次的电容保持率为70%。(2)以硫酸镍为原料,尿素为沉淀剂,聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂,利用水热一步法制备出了前驱体/C球复合微球,再经过后续的煅烧过程(煅烧温度为500℃)制备得到粒径约为2μm,壁厚约为50nm的氧化镍(NiO)空心球。研究了不同聚乙烯吡咯烷酮用量对空心球形貌的影响,结果表明,当PVP用量为0.13g时,得到的NiO空心球形貌最佳。通过循环伏安(CV)测试、交流阻抗(EIS)测试和恒电流充放电(GCD)测试,对比了商业NiO粉体,不同PVP用量的NiO空心球可以得出,当PVP用量为0.13g时的NiO空心球电化学活性最佳。不加入PVP用量得到的NiO空心球在5mV/s的电位扫速下比容量为64.2F/g,高于商业NiO粉体的41.44F/g的比容量。而在PVP用量为0.13g时,在5mV/s的扫速下可达到最高的比容量为294.32F/g,GCD测试也可得出加入0.13g PVP的NiO空心球在0.5A/g的充放电电流密度下,比容量为137.467F/g,GCD测试也可得出加入0.13g PVP的NiO空心球在0.5A/g的充放电电流密度下,比容量为204.68F/g,且在循环1000次的电容保持率为80%。(3)以硫酸镍为原料,尿素为沉淀剂,聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂,利用水热法制备出了不同Zn掺杂量(Zn:Ni=1%,2%,4%)的Zn-NiO空心球,结果表明,当Zn的掺杂量为2%时得到的2%Zn-NiO空心球形貌最佳。通过循环伏安曲线(CV)测试、恒电流充放电(GCD)测试以及电化学交流阻抗(EIS)测试分别不同Zn掺杂量的Zn-NiOHS进行了电化学性能测试,经过电化学测试可知,适当的Zn掺杂量的Zn-NiO空心球,相较于NiO空心球拥有较高的比容量、较低的电荷和离子转移阻抗,2%Zn-NiO空心球在5mV/s的扫速下可达到最高的比容量为357.08F/g,GCD测试也可得出2%Zn-NiO空心球在0.5A/g的充放电电流密度下,比容量为255.28F/g,且在循环1000次的电容保持率为80%。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1
【图文】：

原理图,空心球,原理图,光致发光特性

2图 1-1 模板法制备空心球原理图[18]Fig.1-1 Schematic diagram of procedure to synthesize hollow sphericalmaterials using templating methodg[17]等以聚苯乙烯(PS)为模板，成功制备出直径为 450n约为 30nm 的氧化锌(ZnO)空心球结构材料。得到的具有优良的光致发光特性并发出强烈的黄光，在光电应用。

空心球,碳球

图 1-2 ZnO 空心球的 SEM(a)图和 TEM(b)图[17]Fig. 1-2 (a) SEM and (b) TEM of ZnO hollow nanospheres.江峰[20]等采用水热合成法制备了单分散性良好的碳球，以碳球为模板，制备出 ZrO2/碳球复合微球前驱体，然后将前驱体煅烧得到最终产物 ZrO2空心球，并研究了碳球表面改性对空心球结构形成的影响。通过碱处理来对碳球模板表面进行改性，探索出改性时间对空心球的比表面积的影响，改性时间增加，比表面积从 104.7m2/g 减小到 47.9m2/g。

SEM图,空心球,碳球,前驱体

图 1-2 ZnO 空心球的 SEM(a)图和 TEM(b)图[17]Fig. 1-2 (a) SEM and (b) TEM of ZnO hollow nanospheres.采用水热合成法制备了单分散性良好的碳球ZrO2/碳球复合微球前驱体，然后将前驱体煅球，并研究了碳球表面改性对空心球结构形碳球模板表面进行改性，探索出改性时间对改性时间增加，比表面积从 104.7m2/g 减小

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