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(zhǎng)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?jī)?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(zhǎng)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(guò)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單通用的合成手段來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬襯底表面納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)組裝，并測(cè)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?jī)?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(jiǎn)單的電勢(shì)階躍法將Pd成功負(fù)載到納米棒上，通過(guò)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(duì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(guò)簡(jiǎn)單的恒電流電沉積方法在納米棒表面沉積出過(guò)渡金屬金屬顆粒，然后利用原位誘導(dǎo)生長(zhǎng)法，將過(guò)渡金屬顆粒轉(zhuǎn)化為金屬氧化物-金屬?gòu)?fù)合納米結(jié)構(gòu)，最終制備出一系列類(lèi)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(xiàn)。對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了初步探究，認(rèn)為在制備過(guò)程中，氫氣的析出是造成形貌的形成的主要原因。分別測(cè)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(guò)改變反應(yīng)溶劑中乙醇和水的比例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生長(zhǎng)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(guò)程中，乙醇作為反應(yīng)物參與了Co3O4前驅(qū)體的形成過(guò)程，從而起到了改變形貌的作用。測(cè)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(guò)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(xiàn)，測(cè)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(xiàn)，初步提出了一種H2O2在過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)自化學(xué)置換法對(duì)多孔Ni層表面進(jìn)行了Pd元素修飾，制備出了三維開(kāi)放式多孔網(wǎng)狀電極（Pd-porous Ni/Ni foam），測(cè)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