金屬襯底表面納米結(jié)構(gòu)材料的原位組裝及其電化學(xué)性能.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)材料是指由低維納米材料作為結(jié)構(gòu)單元，按照一定規(guī)律排列組合所得到的具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的新型材料。由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)成為目前材料領(lǐng)域研究新熱點(diǎn)，特別是金屬襯底表面原位生長的納米結(jié)構(gòu)材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、利于電子和離子遷移等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是解決下一代能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換裝置電極材料的理想選擇之一。然而，現(xiàn)今在金屬襯底表面原位生長納米結(jié)構(gòu)材料主要是集中于氣相沉積、模板法等條件苛刻的方法，極大的加劇了

2、其生產(chǎn)成本。因此，本文主要通過開發(fā)簡單通用的合成手段來實(shí)現(xiàn)金屬襯底表面納米結(jié)構(gòu)的生長組裝，并測試其作為燃料電池的催化電極、電化學(xué)電容器和鋰離子電池電極材料的性能，主要研究內(nèi)容如下：
　　利用化學(xué)熱解法在Ti板表面一步制備出碳包覆TiO2納米棒陣列（C@TiO2），并以此納米棒陣列作為三維導(dǎo)電骨架，利用簡單的電勢階躍法將Pd成功負(fù)載到納米棒上，通過調(diào)變電沉積參數(shù)，分別制備出了Pd納米顆粒分散于C@TiO2納米棒（Pd NP-C@Ti

3、O2）和Pd納米薄膜包覆于C@TiO2納米棒（Pd NF-C@TiO2）兩種不同形貌結(jié)構(gòu)的三維電極，考察了Pd NP-C@TiO2對NaBH4電氧化的催化性能和Pd NF-C@TiO2電極在酸性體系下催化H2O2還原性能，發(fā)現(xiàn)Pd NP-C@TiO2三維電極催化對NaBH4電氧化反應(yīng)的催化活性是碳負(fù)載Pd納米顆粒的5倍，而Pd NF-C@TiO2電極催化H2O2電還原的活性顯著高于商業(yè)Pd/C電極，在相同的測試條件下，PdNF-C@Ti

4、O2電極的電流密度可以達(dá)到1.17 A?mg-1，而商業(yè)Pd/C電極只有0.09 A?mg-1；
　　利用化學(xué)熱解法在Ti6Al4V表面一步生長制備碳包覆TiC納米棒陣列（C@TiC），并以此納米棒陣列作為三維導(dǎo)電骨架，通過簡單的恒電流電沉積方法在納米棒表面沉積出過渡金屬金屬顆粒，然后利用原位誘導(dǎo)生長法，將過渡金屬顆粒轉(zhuǎn)化為金屬氧化物-金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，最終制備出一系列類似試管刷結(jié)構(gòu)的三維電極，包括NiO@Ni的納米薄片以及Fe3

5、O4@Fe納米線。對其生長機(jī)理進(jìn)行了初步探究，認(rèn)為在制備過程中，氫氣的析出是造成形貌的形成的主要原因。分別測試了NiO@Ni-C@TiC電極的電容性能和Fe3O4@Fe-C@TiC電極的儲(chǔ)鋰性能，發(fā)現(xiàn)NiO@Ni-C@TiC電極在100 A?g-1的充放電電流循環(huán)500圈后其比電容能仍能維持在811.1 F?g-1，是目前文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的NiO比電容的最高值。Fe3O4@Fe-C@TiC電極作為鋰離子電池負(fù)極也表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和高的比容量

6、，在50 C放電，其比容量達(dá)到100mAh?g-1，1 C循環(huán)100圈，其容量保持率在93.9％，顯示了良好的循環(huán)性能；
　　通過改變反應(yīng)溶劑中乙醇和水的比例，實(shí)現(xiàn)了對生長在泡沫鎳基體表面上的Co3O4材料進(jìn)行形貌調(diào)變，發(fā)現(xiàn)在溶劑熱過程中，乙醇作為反應(yīng)物參與了Co3O4前驅(qū)體的形成過程，從而起到了改變形貌的作用。測試了所制備Co3O4材料在堿性介質(zhì)中催化H2O2電還原性能，發(fā)現(xiàn)其催化性能明顯優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中過渡金屬氧化物的性能；

7、在此基礎(chǔ)之上，利用水熱法在泡沫鎳表面首次制備了(Co, Mn)3O4納米線，測試結(jié)果顯示其催化性能明顯優(yōu)于相同條件下的Co3O4納米線，初步提出了一種H2O2在過渡金屬氧化物上的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)耦合機(jī)制，認(rèn)為Co與Mn的電負(fù)性的不同是導(dǎo)致其催化性能的差異主要原因；最后，利用簡單的電沉積方法，實(shí)現(xiàn)了在泡沫鎳基體表面成功制備出Co3O4和NiCo2O4納米片，大大簡化了制備方法，并有利于規(guī)?；苽淞畠r(jià)H2O2基燃料電池催化電極。

8、　　利用氫氣模板法在泡沫鎳基體表面沉積出一層多孔Ni層，然后通過自化學(xué)置換法對多孔Ni層表面進(jìn)行了Pd元素修飾，制備出了三維開放式多孔網(wǎng)狀電極（Pd-porous Ni/Ni foam），測試了電極催化NaBH4電氧化性能，結(jié)果顯示Pd-porous Ni/Ni foam電極的催化性能是Pd NP-C@TiO2電極的4倍左右，NaBH4在Pd-porous Ni/Ni foam電極上電氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)移電子數(shù)為6.6，表明此電極上NaBH4