多孔金屬-過渡金屬氧化物復合材料的制備及電化學性能研究.pdf

1、基于自身獨特的物理化學性能，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)境和能源領域有著廣闊的應用前景，可用于超級電容器、電化學傳感器和光催化等等。但是，過渡金屬氧化物有導電性差、低的離子傳輸動力學、差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等缺點，限制了其應用。因此，設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。本論文以多孔金屬為基，采用等離子體處理、原子層沉積、電化學沉積以及金屬有機骨架化合物

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)與性能之間的關系，以及進一步拓寬過渡金屬氧化物的應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合材料構(gòu)筑高性能電化學電極的創(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、，并且對樣品進行了形貌表征及電化學性能測試。該核殼結(jié)構(gòu)是由高導電性且相互連通的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)異的電化學性能。作為贗電容電極材料，該電極表現(xiàn)出高達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了電解質(zhì)和離子在互連的多孔通道內(nèi)的快速擴散及傳輸，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。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催化領域設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傳感電極，并且對樣品進行了形貌表征及電化學性能測試。NPG/CoO復合電極不僅實現(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系。此外，該電極用于H2O2傳感器時的靈敏度可高達62.5μA mM-1cm-2且其線性關系保持在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)同效應以及具有高導電性和大比表面積的多孔金骨架的貢獻。
　?。?）通過采用微米級的劃刻技術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率的相互連通納米金骨架可設計出高性

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)定性和機械柔韌性給他們在未來微型電子學的應用提供了巨大潛力。這種設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，這遠遠優(yōu)于純的Co3O4NA?；贑o3O4/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)出對氧析出反應的高電化學催化活性，即30m