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(guān)具有高比表面積的材料的相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(chǔ)科學研究有所促進，還對多種重要工業(yè)領(lǐng)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(yīng)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(guān)于高本征比表面積材料僅集中于沸石和有機金屬骨架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)，隨后在氬氣中高溫碳化，得到具有多級孔結(jié)構(gòu)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(qū)體，通過冷