论文部分内容阅读
3d过渡金属及其化合物纳米材料由于其突出的物理化学特性,被看做是替代目前在催化、能源、传感、生物医学领域起着重要作用但存在一些问题和缺陷的传统材料的最有前景的物质。虽然3d过渡金属及其化合物纳米材料有着大理论容量等优势,但也存在着作为电极材料易坍塌团聚、导电性不足等问题。因此,从材料合成出发,探究材料结构对于性能的影响并加以调控,使其性能得到提升,对其能够在电化学领域得到广泛应用具有重要意义。基于此,本论文主要研究以下几个方面的内容:(1)Co(OH)2超薄纳米片的厚度调控及其对OER性能的影响二维纳米材料有着极大的比表面积和丰富的电化学活性位点,结合Co(OH)2可以提供Co3+作为催化活性位点的优点,有可能可以很大程度提升其OER催化性能。本论文中,我们利用Co配合物作为前驱体,采用混合溶剂热法(水+乙醇)合成得到Co(OH)2二维超薄纳米片。通过调节反应温度和时间,可以调节Co(OH)2纳米片的厚度,获得了具有三种不同厚度的Co(OH)2纳米片,探索了厚度对其OER性能的影响规律,发现其厚度越小,OER性能越优异。当厚度为4nm时,显示了更低的起始电位和在电流密度为10 mA.cm-2时低至327 mV的过电位,在1 M KOH碱性电解液还有极低的塔菲斜率(78 mV·dec-1)和极强的稳定性——在反应6 h之后电流密度的下降可以忽略不计,展现出了比商业Ir02更好的催化性能。(2)TiO2和SnO2三维双层中空棱柱的合成及其储锂性能研究中空纳米材料具有大比表面积和空腔体积能够增加电极材料的接触面积和活性位点,提供足够的空间来缓冲反应过程中带来的体积变化。结合TiO2和SnO2本身具备较高的理论容量,可以较大地提升锂离子电池的性能。本论文中,我们通过一步双水解法首次合成新颖的α-Fe203中空棱柱,以其为硬模板,分别利用超声水解/煅烧晶化法和水热法合成了 TiO2和SnO2三维双层中空棱柱,分别将TiO2和SnO2三维双层中空棱柱应用到锂离子电池中。其中TiO2双层中空棱柱在1 C条件下循环500圈后仍表现出高达150 mAh·g-1的放电比容量,SnO2双层中空棱柱在电流密度为100 mA·g-1的条件下循环370圈还保留了 630 mAh.g-1的放电比容量以及良好的倍率性能。在电流密度为800 mAg-1的快速充放电情况下循环420圈比容量仍保持在410 mAh·g-1。这些性能表现都超过了绝大部分之前报道过的同类材料的锂电性能。在三维SnO2双层中空棱柱包覆了碳材料后,其锂电性能得到进一步提升,在电流密度为100mA·g-1下循环20圈后放电比容量能达到850 mAh·g-1,循环170圈后放电比容量进一步提升到了 1200 mAh·g-1。(3)Cp9S8/C纳米管和Cp(OH)2/Co3O4复合纳米材料的合成及超电性能研究复合纳米材料能够弥补单一材料的不足,通过协同效应得到更加优越的性能;同时Co基纳米材料丰富的氧化还原反应位点使其在超级电容器应用中有着得天独厚的优势。因此Co基纳米复合材料在超级电容器领域有着很广阔的应用前景。在本论文中,我们通过简单的水热法制得含Co溶胶,将该溶胶在N2下煅烧得到一维Co9S8/C纳米管;另外通过一步水热法制得Co(OH)2/Co3O4纳米片复合材料。将上述两种复合材料应用到超级电容器中,显示了较好的比电容和优异的循环稳定性能。Co9S8/C纳米管在4 A.g-1电流密度下电极材料显示出约120 F.g-1的比电容,在循环1000圈后容量依旧能保留99%;Co(OH)2/Co3O4纳米片复合材料在4 A·g-1电流密度下电极材料显示出约400 F·g-1的比电容,在循环1000圈后容量依旧能保留99.5%,高达398.1 F·g-1。(4)Cu/聚合物纳米复合材料的合成及其电传感性能研究聚合物作为包覆层有着减缓纳米颗粒被腐蚀和溶解的功能,而铜纳米颗粒又具备高电导性、廉价的优点,利用复合结构结合它们两者的优势能够发挥Cu纳米颗粒的电传感特性。在本论文中,我们通过一步自活化水热法合成新颖的核壳结构的Cu/聚合物纳米复合材料。将其作为非酶葡萄糖传感器电极材料,表现出了对葡萄糖极高的灵敏度(1417.1 μA.cm-2·mM-1),低检测限(10 μM),良好的线性响应(0.01 mM到1 mM),高选择性和抗干扰性,并成功地解决了催化剂易被腐蚀和中毒的问题。