尖晶石型钴酸盐微/纳米材料的水热合成、表征及其性能研究

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尖晶石结构微/纳米材料在磁记录、光电转换、能量转化与存储、传感和催化等诸多领域具有潜在的用途,已经成为当前科学研究的热点。目前,合成尖晶石结构微/纳米材料的方法有很多,如水热/溶剂热路线、微波合成、溶胶-凝胶技术以及共沉淀等。在本论文中,我们旨在利用水热法合成具有尖晶石结构的钴酸盐微/纳米材料,包括钴酸镍、钴酸锰和钴酸铜,并探索其在电容器和催化方面的潜在应用。论文的主要研究内容如下:  1、设计了一种温和的水热-煅烧合成路线,以硫酸钴、硫酸镍和尿素为原料,在不同反应条件下,成功合成了花状和哑铃状钴酸镍多孔结构。实验结果显示:在没有任何添加剂的情况下,水热反应可得到花状结构;若添加适量的柠檬酸钠时,反应可以获得哑铃状结构。并且利用 X-射线粉末衍射、X-射线能量散射、扫描电镜以及透射电镜对产物进行了表征。电化学测试结果表明,花状和哑铃状钴酸镍均可以作为电极材料,在1A g-1下容量分别为553 F g-1和890 F g-1;此外,在10A g-1下循环5000次,容量损失仅为14.5%和6.4%,表现出了优异的性能。  2、以硫酸钴、硫酸锰和尿素为起始反应物,利用简单的水热合成路线和随后的煅烧过程,成功制备了钴酸锰微球。实验显示,煅烧温度几乎不影响产物的最终形貌,但对产物的结晶性和比表面积产生了明显的影响;电化学测试表明:600℃下煅烧6h所获得的钴酸锰微球,比表面积达到了107.7 m2 g-1,作为电极材料时,显示了优异的性能。在电流密度为2A g-1下,容量高达1400F g-1;在10A g-1下循环6000次,容量损失仅为3.02%。  3、用硫酸钴、硫酸铜和尿素为初始反应试剂,氟化铵为添加剂,80℃下水热反应15h,随后在400℃下热处理2h,成功合成了花状钴酸铜微结构。使用 X-射线粉末衍射、X-射线能量散射、扫描电镜以及透射电镜对目标产物进行了系统的表征。研究表明,氟化铵在花状钴酸铜微结构的形成过程中起着重要的作用。电化学测试发现,所得花状钴酸铜微结构显示出优良的电化学性能,可被用作超级电容器的电极材料。此外,花状钴酸铜微结构也呈现出很强的催化活性,在30mg L-1的催化剂存在下10min内几乎完全催化还原4-硝基酚。这为工业上芳香族硝基化合物的溶液相还原提供了新的催化剂选择。
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