納米陣列合成及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人類生產(chǎn)和日常生活中越來越離不開化石能源，例如石油和煤。然而，化石能源畢竟儲量有限，該資源的消耗量日益增大以及其大規(guī)模使用所帶來的環(huán)境污染，迫使國內(nèi)外研究組尋找出可持續(xù)發(fā)展的替代性清潔能源和性能穩(wěn)定的能量存儲系統(tǒng)。本文面向低能耗和低功耗制取無污染的清潔能源（氫氣）以及發(fā)展快速充放電和高容量高循環(huán)穩(wěn)定性的超級電容器電極，主要通過一系列合成手段得到界面有序組裝的納米材料（納米陣列），并研究了對于特定材料其結(jié)構(gòu)和電

2、化學(xué)儲能以及催化（析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)）性能的構(gòu)效關(guān)系。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、磐ㄟ^水熱合成的方法制備了在泡沫鎳基底上豎直排列的具有一維和二維結(jié)構(gòu)的氧化鎳以及氫氧化鎳，并研究了其作為超級電容器電極時(shí)的儲能性能。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有超高的比容量(＞2000F/g)，優(yōu)異的倍率特性以及突出的循環(huán)穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的儲能性能被歸結(jié)為其特殊的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu):a.納米陣列材料由于其直接生長在導(dǎo)電基底上，所以能滿足電子的快速傳導(dǎo);b.豎直排列

3、的納米結(jié)構(gòu)之間具有很多空隙，這能夠大幅度提高材料的比表面積，同時(shí)也構(gòu)成了電解液離子的傳輸通道，加速了材料界面的傳質(zhì)過程;c.納米陣列材料又具有普通納米粉體材料的特性，其某個(gè)或者多個(gè)維度的納米尺寸將使得材料充分暴露在電解液中，提高材料的利用率。
　?、仆ㄟ^構(gòu)筑雙金屬氫氧化物或者氧化物納米陣列，并選擇性刻蝕部分材料，可以得到高度多孔化的納米陣列，同時(shí)其特殊的多孔結(jié)構(gòu)也被證明能進(jìn)一步提高其單位質(zhì)量比電容和倍率特性。我們以鈷鋁水滑石為例，

4、發(fā)現(xiàn)用高濃度的氫氧化鈉溶液可以選擇性溶解其中的鋁部分，形成多孔化的鈷的堿式碳酸鹽納米陣列，其比質(zhì)量電容可大于1000F/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其前驅(qū)物(約400F/g)。
　?、峭ㄟ^多步合成的方法在原有的一級納米陣列結(jié)構(gòu)上繼續(xù)生長二級的納米陣列，從而形成多級納米陣列結(jié)構(gòu)，并用以解決一級納米陣列材料負(fù)載量不足(＜3mg/cm2)的問題。多級納米陣列結(jié)構(gòu)在維持了原有一級納米陣列的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了活性儲能材料的單位面積負(fù)載量(～12

5、mg/cm2)，大幅度提高其單位面積比電容(～24.9F/cm2)，大大提高了其大規(guī)模應(yīng)用的前景。此外，該種多級結(jié)構(gòu)在鎳鋅電池中也具有潛在應(yīng)用。
　?、劝l(fā)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的納米陣列在水下的超疏氣性，從而使其作為電化學(xué)分解水電極具有快速的電流增長和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。以二硫化鉬材料為例，三維多孔納米化的界面結(jié)構(gòu)將顯著降低其對于氣泡的表面粘附力，并具有大于150度的氣泡接觸角。在電化學(xué)析氫反應(yīng)(HER)測試中，三維多孔納米化的表面具有極小的氣

6、泡脫離尺寸以及快速的脫氣速度，使得其在一定過電位下的反應(yīng)電流和反應(yīng)穩(wěn)定性上超過了具有最佳活性的鉑碳催化劑，極具商業(yè)應(yīng)用前景。另外，這種具有超疏氣性質(zhì)的電極可以拓展于析氧反應(yīng)(OER)和水合肼氧化反應(yīng)(HzOR)中。具有超疏氣的NiFe-LDH陣列具有優(yōu)異的OER性質(zhì)（1.46V的起始電位和快速的電流增加速率），并優(yōu)于商業(yè)的Ir/C催化劑。此外，具有超疏氣的Cu納米結(jié)構(gòu)薄膜組裝而成的直接肼燃料電池的功率密度是商業(yè)Pt/C催化劑的三倍。