盐辅助法合成二维材料及其在能量转换与存储中的应用研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:llsnow_2009
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近年来,二维材料凭借其独特的性质,在电学、光学、磁学等众多领域受到了广泛的关注和深入的研究,并在场效应管、传感器、催化、超级电容器、电池、铁电效应、热电效应等方面展示了良好的性能。而实际制备的二维材料受到尺寸、晶相、厚度、组成、缺陷以及表面性质的影响,表现出的性质与理论情况相距甚远,限制了二维材料的应用。为解决这一问题,大量的二维材料制备方法被相继开发,主要包括机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法和湿法化学法等。其中,机械剥离法和化学气相沉积法可以得到高质量二维材料,液相剥离法和湿化学法可以高产量地制备二维材料。但是,同时解决高质量、高产量、低成本制备二维材料的问题仍然是一个挑战,这要求制备过程具有反应迅速、高效且易于扩大化的特点。本论文围绕制备高质量、高产量二维材料,提出以盐辅助法(包括盐模板法和熔盐法)合成二维材料。利用盐模板法,实现了多种二维材料包括层状、非层状、非晶二维材料的合成;利用熔盐法合成出一系列二维层状材料,且产量和产率得到进一步提高。两者方法相比,盐模板法可以合成更多种类的二维材料,但是产量不甚理想,熔盐法能够实现高产量、高产率合成二维材料,但在本文中仅局限于具有层状晶体结构的二维材料。其具体成果如下:1.盐模板法合成二维层状五氧化二铌以及非晶五氧化二铌。将盐的表面作为一个反应平面,在硫酸钾表面包覆前驱物(NbCl5)。通过水解反应,NbCl5会在硫酸钾表面形成非晶二维层状五氧化二铌纳米片。当将包覆了五氧化二铌的硫酸钾在空气中退火并洗去硫酸钾模板后,可以得到二维晶体五氧化二铌纳米片。将两种五氧化二铌纳米片制备成电极并分别进行锂离子电容器的组装和测试,均表现出良好的容量。由于锂离子不仅可以进入到二维非晶五氧化二铌的层间,同时可以进入非晶五氧化二铌的层内,二维非晶五氧化二铌在2 mV/s的扫速下容量(463 F/g,1111 C/g)达到了晶体五氧化二铌(262 F/g,628 C/g)的两倍。同时,非晶材料有助于减弱电极内的晶界散射,将二维非晶五氧化二铌作为电极材料实现了透明超级电容器器件组装并获得了良好的储能性能。2.盐模板法合成非层状二维单晶过渡金属磷化物。为了实现二维非层状材料的合成,通过控制包覆前驱物的质量来调控材料的厚度,利用盐表面的晶格匹配实现特定晶面的生长。通过该方法成功制备了一系列二维过渡金属磷化物单晶纳米片,包括Co2P、MoP2、Ni12P5和WP2。特别地,由于晶格匹配的生长机制,所制备的二维单晶片均存在固定的暴露晶面,其中磷化钴暴露面为(<sub>1<sub>30),磷化钼暴露面为(010),磷化镍暴露面为(010),磷化钨暴露面为(001)。此外,二维磷化钴纳米片还展现了高效电催化析氢能力,在0.5 M硫酸中其10 mA/cm电流密度下的析氢过电位仅为41 mV,Tafel斜率为35 mV/dec,性能远优于磷化钴纳米颗粒。3.熔盐法合成二维过渡金属硫族化合物。由于硫族化合物的合成需要在惰性气氛保护下操作,因此首先对管式炉进行相应的改造实现了高温加样和快速降温的功能。通过在含有硫或者硒的熔盐中加入钼酸铵或者钨酸铵,成功制备了四种2H相的二维过渡金属硫族化合物,包括MoS2、WS2、MoSe2和WSe2。并对MoS2的合成过程和反应条件进行了详细的探讨,最终实现了在1分钟反应时间下高达67%的产率。最后,将二维MoS2与海绵复合制备的光热转换复合材料用于水蒸发。由于MoS2/海绵复合材料超高的太阳光吸收率(90.58%,一个太阳光下),获得了82.3%的光热转换效率。4.熔盐法合成钾离子插层型二维二氧化锰用于染料降解中的能量收集。首先,将硫酸锰前驱物加入到熔融的硝酸钾中,获得大量二维钾离子插层型二氧化锰纳米片。然后利用二氧化锰纳米片作为阴极,铂片作为阳极组装成可以同时降解染料和收集能量的原电池系统。由于原电池效应,该系统加速了染料降解的过程。不同的染料在该系统中可以实现降解,并且提供长时间的电流和稳定0.45 V的开路电压。
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