新型過(guò)渡金屬氧化物微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其相關(guān)性能研究.pdf

1、具備多樣形貌、獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)的過(guò)渡金屬氧化物微納米材料，在環(huán)境能源領(lǐng)域，比如超級(jí)電容器、電化學(xué)傳感器和光催化劑等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)新的過(guò)渡金屬氧化物微納米材料的合成方法，研究材料生長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)而獲得具有特定形貌、維度、尺寸的微納米材料，對(duì)于探索材料的微納結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以及進(jìn)一步拓寬金屬氧化物的應(yīng)用范圍具有重要的意義。在過(guò)渡金屬氧化物中，四氧化三鈷（Co3O4）、氧化鎳（NiO）、鈷酸鎳（NiCo2O4）、氧化銅（CuO

2、）等代表性氧化物在光、電、磁等應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，因而獲得了廣泛的研究。本論文采用水熱法、原位生長(zhǎng)法和陽(yáng)極氧化法等簡(jiǎn)單、低能耗的合成方法成功實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡金屬氧化物微納米材料的可控制備，并研究了其在超級(jí)電容器、非酶葡萄糖傳感器和光催化方面的性能。本論文主要?jiǎng)?chuàng)新性研究結(jié)果如下：
　?。?）以氯化鈷、氯化鎳和硝酸銨為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法和后續(xù)熱處理在不銹鋼基底上大面積合成了復(fù)合納米網(wǎng)-片NiCo2O4多孔材料。其中硝酸銨提供的NH4+有利于

3、Co(OH)2和Ni(OH)2的成核-生長(zhǎng)速率一致。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如投料比，可以實(shí)現(xiàn)不同組分和形貌的NixCo3-xO4可控制備。對(duì)比多種形貌的NixCo3-xO4的電化學(xué)性能研究結(jié)果表明，調(diào)控其形貌結(jié)構(gòu)和孔徑分布對(duì)超級(jí)電容器的性能有很大的影響。其中，由超薄納米片和納米網(wǎng)自組裝成的多孔網(wǎng)狀NiCo2O4具有最好的電化學(xué)性能，在10 A g-1電流密度下循環(huán)10000圈后其容量保持率高達(dá)94.8％。
　?。?）以銅箔為基底和銅源

4、，通過(guò)原位生長(zhǎng)法成功合成了管狀 Cu(OH)2前驅(qū)體材料，通過(guò)后續(xù)熱處理前驅(qū)體制備了具有規(guī)則形貌和超大比表面積的CuO多孔納米管。通過(guò)觀察不同反應(yīng)時(shí)間段的中間產(chǎn)物來(lái)詳細(xì)研究了形貌演變的過(guò)程。將得到的多孔CuO納米管應(yīng)用到超級(jí)電容器中，該電極材料在1 A g-1電流密度下的比容量高達(dá)442 F g-1，循環(huán)充放電5000圈后比電容僅損失了4.6%。此外，CuO納米管對(duì)葡萄糖的電氧化反應(yīng)的性能通過(guò)循環(huán)伏安法進(jìn)行了充分研究。在+0.55 V工

5、作電位下對(duì)葡萄糖的計(jì)時(shí)安培檢測(cè)，由CuO納米管/銅箔直接用作電極展現(xiàn)出超低的檢測(cè)限（可低至1.07μM（S/N=3）），和伴隨優(yōu)良靈敏度（2231μA mM-1 cm-2，R=0.999）的寬范動(dòng)態(tài)范圍（線性響應(yīng)可達(dá)3 mM）。而且，在干擾物的正常生理水平濃度下，來(lái)自壞血酸（AA）、尿酸（UA）、尿素、乳糖、氯化鈉的干擾可以忽略不計(jì)，證明了 CuO納米管/銅箔電極高定向的選擇性。以上結(jié)果表明，CuO納米管/銅箔電極在多種應(yīng)用中是一種潛力

6、很大的功能材料。
　?。?）以銅箔為銅源，利用簡(jiǎn)單的堿性溶液氧化法在加入不同表面活性劑的條件下合成了花狀、球狀、珊瑚狀等三種不同形貌結(jié)構(gòu)的CuO納米材料。測(cè)量其在堿性溶液中的電容性能，三種形貌的CuO電極均表現(xiàn)出了良好的法拉第贗電容特性，通過(guò)循環(huán)伏安法和恒電流充放電技術(shù)測(cè)得花狀電極的比電容最大（615 F g-1，在5mV s-1的掃描速率下；520 F g-1，在1 A g-1的電流密度下）?；頒uO電極具有如此優(yōu)異的電化學(xué)性

7、能是來(lái)自于它的三維自組裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的CuO納米花不僅可以緩沖充放電過(guò)程中的體積變化以維持材料結(jié)構(gòu)的完整性，而且還縮短了OH-的擴(kuò)散路徑。
　　（4）采用工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的電化學(xué)陽(yáng)極氧化法，以基底銅網(wǎng)為銅源，首次在其表面原位生長(zhǎng)出一層類石墨烯狀的Cu(OH)2超薄納米片薄膜。通過(guò) SEM、TEM和HRTEM等表征手段證實(shí)了經(jīng)過(guò)退火處理的Cu(OH)2脫水轉(zhuǎn)變成CuO，樣品形貌仍然保持相互交聯(lián)的納米片薄膜。電化學(xué)超電容測(cè)試表明合