系列硫化铜纳米晶体的控制合成及其电催化性能研究

发布时间：2017-08-09 12:16

  本文关键词：系列硫化铜纳米晶体的控制合成及其电催化性能研究

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【摘要】：纳米材料的可控制备及其应用已成为纳米技术领域的重要课题之一。金属硫属化合物是一类兼具物理、化学性质的特殊无机功能性材料。其中硫化铜系列(Cu2-xS)作为低毒性半导体材料在光电能源转化、生物医学、催化等领域被广泛应用,一度成为研究热点。基于以上分析,本论文集中研究了Cu2-xS纳米材料不同形貌和组分的可控合成及其在过氧化氢(H2O2)生物传感器、催化水分解领域中的应用。开展研究工作如下:i.制备不同形貌或不同组分的系列硫化铜纳米晶体材料,并研究其对H2O2的还原能力;ii.以Cu S纳米片为模板还原得到Cu2S纳米片,并探索其在氨基酸辅助下的水氧化(OER)性能;iii.成功引入碳布(CFP)作为基底并建立了原位生长法即在CFP上先后生长一层钴酸镍(Ni Co2O4)纳米线和Cu S纳米颗粒制备得到三维异质结构电极,进而开展电极在析氢反应(HER)电催化领域的研究。具体工作如下:一:综述不同化学计量组分、相态和晶体结构的硫化铜系列纳米材料,目前其主要制备方法、特殊性质及应用,OER和HER的概念及机理。二:利用三价铝离子对Cu2-xS纳米材料形貌的调控和温度对Cu2-xS尺寸的影响,分别制备得到Cu S纳米片、Cu1.12S纳米四面体、Cu1.8S纳米立方体三种不同形貌和大小从11.0 nm到28.9 nm不同尺寸的Cu S纳米片。该Cu2-xS纳米材料作为检测器可用来检测0.2 M磷酸缓冲溶液中H2O2的含量且发现11.0 nm的Cu S纳米片的检测性能最好,其检测限可达到0.18×10-6 M,检测范围为5×10-6 M到11.1×10-3 M。Cu S纳米片高效的H2O2检测性能可以进一步实现体外细胞(人体胃癌细胞MKN-45)H2O2的检测。三:高温热注射法合成的六方晶相Cu S纳米片作为模板还原后得到立方晶相Cu2S纳米片。相较于Cu S纳米片,Cu2S纳米片具有更加优异的水氧化催化性能。在磷酸盐缓冲溶液中,甘氨酸辅助下的Cu2S纳米片表现出的OER催化性能甚至接近商业化Ir/C(20%)。四:该体系以CFP为基底,采用简单的溶剂热法在CFP上生长一层Ni Co2O4纳米线,继而通过水浴法在纳米线上包覆一层Cu S纳米颗粒使纳米线直径更大、表面更粗糙。制备得到的三维异质结构电极材料CFP/Ni Co2O4/Cu S作为一种自支持电极材料,析氢测试过程中不需要引入nafion等高分子聚合物。该电极材料在酸性条件下的析氢性能甚至比许多已报导的非Pt材料更为优越:起始过电位为31.3 m V,塔菲尔斜率为41 m V dec-1,交换电流密度为0.246 m A cm-2,电极的催化性能最少可以保持50 h,其法拉第电流效率接近100%则表明测试过程中几乎没有活性损失。CFP/Ni Co2O4/Cu S电极材料被组装成电解池后控制电压为1.5 V,测得的阴极电流密度为18 m A cm-2,研究发现该电极材料在一节普通电池的驱动下即可产生大量氢气(H2)。
【关键词】：硫化铜 纳米晶体 控制合成 电催化性能
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-43
• 1.1 引言13
• 1.2 硫化铜系列纳米材料的晶体学信息13-15
• 1.3 硫化铜系列纳米材料的特性15-17
• 1.3.1 硫化铜系列纳米材料的半导体性质15
• 1.3.2 硫化铜系列纳米材料的局部表面等离子体共振性质15-17
• 1.3.3 硫化铜系列纳米材料的电学性质17
• 1.4 硫化铜系列纳米材料的制备方法17-25
• 1.4.1 溶剂热法和水热法17-18
• 1.4.2 热注射法18-20
• 1.4.3 热分解法20-21
• 1.4.4 化学气相沉积法21-22
• 1.4.5 电化学沉积法22
• 1.4.6 模板法22-23
• 1.4.7 微波辐射法23-24
• 1.4.8 油-水界面反应法24-25
• 1.5 硫化铜系列纳米材料的应用25-29
• 1.5.1 光催化作用25
• 1.5.2 太阳能电池25-26
• 1.5.3 能源储存装置26-27
• 1.5.4 生物医学方面的应用27-28
• 1.5.5 电催化作用28-29
• 1.6 电催化水分解29-31
• 1.6.1 水氧化反应 (OER)30-31
• 1.6.2 氢气析出反应 (HER)31
• 1.7 电化学测试及相关参数31-34
• 1.7.1 循环伏安测试31-32
• 1.7.2 稳态极化曲线测试32-33
• 1.7.3 计时电流测试33
• 1.7.4 电化学性质参数指标33-34
• 1.8 本论文选题意义34-35
• 参考文献35-43
• 第二章 单分散系列硫化铜纳米晶体的控制合成及其对H_2O_2还原的电催化研究43-68
• 2.1 引言43-44
• 2.2 实验部分44-47
• 2.2.1 化学试剂44-45
• 2.2.2 实验仪器45
• 2.2.3 实验步骤45-47
• 2.2.4 电化学性质的测试方法47
• 2.3 结果与讨论47-62
• 2.3.1 反应过程中溶液颜色的变化48
• 2.3.2 离子的影响48-49
• 2.3.3 合成机理的探讨49-51
• 2.3.4 Cu_(2-x)S纳米晶体形貌的控制合成研究51-54
• 2.3.5 Cu_(2-x)S纳米晶体大小的控制合成研究54-55
• 2.3.6 系列硫化铜纳米晶体的电化学性质探索55-59
• 2.3.7 系列硫化铜纳米晶体检测H_2O_2能力的测定59-60
• 2.3.8 抗干扰实验60-61
• 2.3.9 细胞实验61-62
• 2.4 结论62-64
• 参考文献64-68
• 第三章 相转移法合成硫化亚铜纳米片及其甘氨酸辅助下水氧化性能的研究68-100
• 3.1 引言68-70
• 3.2 实验部分70-73
• 3.2.1 化学试剂70-71
• 3.2.2 实验仪器71
• 3.2.3 实验步骤71-72
• 3.2.4 电化学性质的测试方法72-73
• 3.2.5 电化学性质参数的计算方法73
• 3.3 结果与讨论73-94
• 3.3.1 Cu_2S纳米片的表征74-78
• 3.3.2 Cu_2S纳米片晶体学结构研究78-80
• 3.3.3 氨基酸及小分子的讨论80-83
• 3.3.4 水氧化机理的研究83-86
• 3.3.5 最优测试条件的探索86-88
• 3.3.6 甘氨酸辅助下Cu_2S纳米片水氧化性能的研究88-92
• 3.3.7 稳定性研究92-93
• 3.3.8 法拉第电流效率测试93-94
• 3.4 结论94-96
• 参考文献96-100
• 第四章 具有Ni Co_2O_4/CuS异质结构自支持电极的制备及其析氢性能的研究100-133
• 4.1 引言100-103
• 4.2 实验部分103-107
• 4.2.1 化学试剂103
• 4.2.2 实验仪器103-104
• 4.2.3 实验步骤104-106
• 4.2.4 电化学性质的测试方法106
• 4.2.5 电化学性质参数的计算方法106-107
• 4.3 结果与讨论107-128
• 4.3.1 CFP/NiCo_2O_4/CuS的表征107-115
• 4.3.2 关于“自支持”电极的分析115
• 4.3.3 CFP/NiCo_2O_4/CuS电极析氢性能的研究115-118
• 4.3.4 溶液阻抗的测试118-119
• 4.3.5 电极稳定性的测定119-122
• 4.3.6 电极不同沉积量的研究122-123
• 4.3.7 动力学研究123
• 4.3.8 TOF的测试123-124
• 4.3.9 电极法拉第电流效率的研究124-125
• 4.3.10 机理的探讨125-126
• 4.3.11 电解池构筑126-127
• 4.3.12“虹吸”问题的讨论127-128
• 4.4 结论128-130
• 参考文献130-133
• 在学期间的研究成果及参与课题133-134
• 致谢134

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本文编号：645234