油酸钠辅助构筑环状水滑石材料及其光/电化学性能研究

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水滑石材料是一种层状复合金属氢氧化物(LDH),又称阴离子黏土化合物,其主层板由带正电的金属元素八面体组成,层间由带负电的离子及小分子插层。其主体层板金属元素的种类与比例、层间阴离子的性质以及水滑石的晶体结构都具有很强的可调控性。目前,这种阴离子型层状功能材料由于其反应活性位点均匀分散的特性,被广泛的应用在吸附、催化、光催化、能量转换与储存、和药物载体。制备水滑石的传统方式有共沉淀法,溶剂热法,焙烧复原法等。但由于水滑石具有二维生长的特性,其形貌多为片状结构及片的衍生结构。对于合成技术十分成熟的LDH材料来说,越来越多的研究者在致力于发展出一种通用的合成水滑石的策略,以摆脱传统方法制备出的单一片状结构对其性能的限制。这里,本文开发了一种油酸钠辅助的两步两相溶剂热法通用策略,制备出了不同元素组成的水滑石纳米环状结构。通过对二次溶剂热过程中第三种二价金属盐用量的调节,筛选出具有最佳电化学和光催化性能的反应物投料比。重要的是,本文提出了环状结构的形成机理,证明了该种通用策略在理论上的可行性。这是一种由溶解度和油酸离子诱导的物质的溶解和再结晶及奥斯瓦尔德熟化原理协同作用的过程。论文的主要研究工作如下:(1)制备出了环状CoAlNi水滑石,研究了反应物中Ni的含量对环状LDH结构及其超电性能的影响。对不同Ni的含量的环状水滑石的电化学性能测试表明,水滑石结构的层间距对产物的电容容量及循环稳定性有一定影响。当Ni用量为3 mmol时,环状CoAlNi结构的层间距最大,可达46.5(?)。在1 A g-1电流密度下电容量可达1339.6 F g-1。为了检测其实际应用性能,本文将其组装成了非对称电容器器件,测试表明该器件在2 A g-1电流密度下,比电容高达141 F g-1,循环3000圈后比电容值仍为初始值的82%。(2)制备出了环状MgAlNi水滑石,研究了Ni的含量对环状LDH结构及其光催化还原CO2性能的影响。光催化测试结果证明,当Ni用量为3 mmol时,样品在可见光范围有最强吸收,并且能更好的抑制光生载流子的复合,其光催化产生CO的速率高达2.13μmol g-1 h-1,同时样品也具有良好的循环稳定性。(3)制备出了环状MgAlCo水滑石,研究了Co的含量对其结构及其光催化还原CO2性能的影响。光催化测试结果证明,当Co用量为3 mmol时,环状MgAlCo LDH的禁带宽度为1.98 eV,同时也具高效的光生电荷分离和转移能力,其光催化产生CO的速率高达1.29μmol g-1 h-1,其循环稳定性能也表现良好。
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