高比表面積無機物的可控合成及其電化學儲能與催化性能研究.pdf

1、隨著納米科技的不停發(fā)展，研究者們逐漸發(fā)現(xiàn)納米尺度的材料可以展示出和塊體材料不一樣的性能。其中，有關具有高比表面積的材料的相應研究是當下的一個重要課題。從起源上分類，比表面積有兩種：本征比表面積和非本征比表面積。本征比表面積由材料本身的晶體結構決定，不受其形貌影響，而非本征比表面積則由材料的形貌決定。高比表面積材料不僅對基礎科學研究有所促進，還對多種重要工業(yè)領域產(chǎn)生深遠的影響，如催化、氫氣存儲、鋰離子電池和超級電容器等。
　　本論文

2、首先綜述了比表面積的分類及檢測方法，重點介紹了高比表面積材料的多種重要應用，進而集中研究了新型高比表面積無機材料的可控合成，同時以電容器儲能和催化性能研究為例，探究了高比表面積對材料的電化學儲能及催化的改善作用。主要研究成果概況如下：
　　(1)針對目前關于高本征比表面積材料僅集中于沸石和有機金屬骨架結構材料的現(xiàn)狀，本研究通過水熱法合成六方相的三氧化鎢，證實其具有高達46.585 m2/g的總比表面積，此中本征比表面積占有24.0

3、25 m2/g，超過總比表面積一半。同時通過低壓CO2等溫吸附及非定域密度泛函擬合，確定所合成六方相三氧化鎢的超微孔道直徑為3.67?。與之相比，同樣由WO6晶胞組成但晶胞排列不同的單斜相三氧化鎢不具有此超微孔道。本研究首次探測到，除了沸石和有機金屬骨架結構材料外，過渡金屬氧化物也可以具有開放的超微孔道及高本征比表面積。隨后通過研究電化學儲能特性，發(fā)現(xiàn)當陽離子尺寸較小時(H+和 Li+)，陽離子可以進入六方相超微孔道，從而提高了三氧化鎢

4、的超級電容特性，而當陽離子尺寸較大時(Na+)，陽離子無法自由進出超微孔道，此時高本征比表面積并不能改善其電化學儲能性能。據(jù)此研究，本文拓展了高本征比表面積材料的種類及晶體內(nèi)超微孔道在電化學儲能方面的研究。
　　(2)為了更簡便地制備具有高非本征比表面積的碳，本研究以染料羅丹明B為原料，先將其與KOH反應，隨后在氬氣中高溫碳化，得到具有多級孔結構的氮摻雜碳材料。其中，在700℃碳化的樣品具有高達1573 m2/g的比表面積，主要以

5、小于5 nm的介孔和微孔為主，且與大孔共存。合成的碳材料還具有多種含氮（吡咯型氮、吡啶酮型氮等）及含氧（酮及醌類氧、醚類氧和羧基氧）官能團，官能團提高了電極材料與電解液間的浸潤性，并且氮摻雜提高了產(chǎn)物碳的電導性，促進了碳材料的電化學儲能性能，例如700℃碳化的樣品在2 A/g下表現(xiàn)出高達301 F/g的雙電層比電容。
　　(3)為了更簡易地制備高比表面積的金屬/金屬氧化物石墨烯復合物，本研究以氧化石墨烯和金屬鹽溶液為前驅體，通過冷