多孔金屬-過渡金屬氧化物復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、基于自身獨(dú)特的物理化學(xué)性能，以自然界儲量豐富、可調(diào)控的微/納結(jié)構(gòu)形態(tài)為優(yōu)點(diǎn)的過渡金屬氧化物材料一直以來受到眾多科研者的青睞，且在環(huán)境和能源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，可用于超級電容器、電化學(xué)傳感器和光催化等等。但是，過渡金屬氧化物有導(dǎo)電性差、低的離子傳輸動力學(xué)、差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用。因此，設(shè)計高性能的過渡金屬氧化物電極結(jié)構(gòu)已成為非常緊迫的任務(wù)。本論文以多孔金屬為基，采用等離子體處理、原子層沉積、電化學(xué)沉積以及金屬有機(jī)骨架化合物

2、熱分解等不同的方法制備出各類過渡金屬氧化物復(fù)合電極，并研究了它們在超級電容器、生物傳感器及水氧化反應(yīng)方面的性能。這對于闡明材料的微/納結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以及進(jìn)一步拓寬過渡金屬氧化物的應(yīng)用范圍具有重要的意義。
　　針對以上問題,本論文的主要內(nèi)容是基于多孔金屬和過渡金屬氧化物納米復(fù)合材料構(gòu)筑高性能電化學(xué)電極的創(chuàng)新性研究,主要涵蓋的工作有：
　　（1）采用水熱合成、熱退火及等離子體處理的方法制備出多級多孔的Ni/NiO核殼結(jié)構(gòu)

3、，并且對樣品進(jìn)行了形貌表征及電化學(xué)性能測試。該核殼結(jié)構(gòu)是由高導(dǎo)電性且相互連通的Ni骨架內(nèi)核以及均勻覆蓋其表面的NiO殼層組成，其在超級電容器和生物傳感器方面表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。作為贗電容電極材料，該電極表現(xiàn)出高達(dá)255mF cm-2的面積電容。同時，該電極還表現(xiàn)出對葡萄糖電氧化的高催化活性，靈敏度為4.49mA mM-1cm-2，檢測限為10mM。此外，分層多級的孔徑增強(qiáng)了電解質(zhì)和離子在互連的多孔通道內(nèi)的快速擴(kuò)散及傳輸，這主要體現(xiàn)在

4、4000個循環(huán)的優(yōu)異穩(wěn)定性方面以及對葡萄糖短至1.5s的電流快速響應(yīng)。分層多級多孔金屬/金屬氧化物核殼結(jié)構(gòu)這些概念也為能量存儲和電化學(xué)催化領(lǐng)域設(shè)計高性能電極材料開辟了新的途徑。
　?。?）通過使用原子層沉積的方法在納米多孔金（NPG）膜的骨架表面上包覆一層超薄的Co O殼層制備柔性的電化學(xué)傳感電極，并且對樣品進(jìn)行了形貌表征及電化學(xué)性能測試。NPG/CoO復(fù)合電極不僅實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖氧化和H2O2還原的高催化活性，而且表現(xiàn)出在葡萄糖和

5、H2O2分子濃度檢測中良好的線性關(guān)系。此外，該電極用于H2O2傳感器時的靈敏度可高達(dá)62.5μA mM-1cm-2且其線性關(guān)系保持在0.1-92.9mM的濃度范圍內(nèi)。該電極表現(xiàn)出的優(yōu)異電催化性能主要是由于Au和CoO在界面處的協(xié)同效應(yīng)以及具有高導(dǎo)電性和大比表面積的多孔金骨架的貢獻(xiàn)。
　?。?）通過采用微米級的劃刻技術(shù)將納米多孔金薄膜加工成交叉指形的平面微集流體，這種高離子傳輸?shù)募{米多孔通道和高電導(dǎo)率的相互連通納米金骨架可設(shè)計出高性

6、能的微型贗電容器。因此，這些制備出的微電容器件顯示一系列優(yōu)異的電容特性，包括超快充放電（高倍率性能）、高的比電容（1.27mF cm-2，127F cm-3）以及在保持高功率密度（22.21W cm-3）的同時還能取得高能量密度（0.045Wh cm-3）。特別是，優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性給他們在未來微型電子學(xué)的應(yīng)用提供了巨大潛力。這種設(shè)計概念也為將平面型超級電容器集成到大規(guī)模制備的微型化器件中提供了一種新途徑。
　?。?）通

7、過在Ar和空氣中退火處理水熱合成的金屬有機(jī)骨架化合物（Co-MOF）可得到多孔的Co3O4/C納米線陣列（NAs）。在電化學(xué)儲能方面，Co3O4/C NAs在1mA cm-2的電流密度下表現(xiàn)出1.32F cm-2的高比面積電容，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于純的Co3O4NA。基于Co3O4/C NAs的對稱超級電容器表現(xiàn)出高的循環(huán)穩(wěn)定性，5000次循環(huán)后僅有21.7％的電容衰減。此外，Co3O4/C NAs還表現(xiàn)出對氧析出反應(yīng)的高電化學(xué)催化活性，即30m