LDHs基雜化電極材料的構(gòu)筑及電化學性能研究.pdf

1、層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)作為一類典型的陰離子插層結(jié)構(gòu)二維層狀材料，其結(jié)構(gòu)、形貌、主客體化學組成等可調(diào)控的特點為新型功能材料的制備及性能強化提供了廣闊的空間。含過渡金屬的LDHs材料具有電化學活性高、制備簡單、穩(wěn)定性好等特點，成為一類重要的電化學儲能材料。但是，LDHs材料本身導電性較差，材料內(nèi)部電子的傳輸速率較低;同時層間陰離子的空間位阻效應阻礙了電解質(zhì)離子在層間的擴散，從而限制了該類材料在電化學能量存儲領域的應用。因此，如何設計

2、并構(gòu)筑具有優(yōu)異電子/離子傳輸性能的電極材料,顯著改善其電化學性能，是目前LDHs類電極材料研究領域亟待解決的問題。本論文以LDHs材料為構(gòu)筑基元，通過靜電組裝、重構(gòu)組裝、拓撲轉(zhuǎn)變、離子交換等方法，制備了一系列LDHs基雜化電極材料，從介觀及分子尺度優(yōu)化了電極材料的電子/離子傳輸行為，實現(xiàn)了其電極材料電化學性能的強化，在超級電容器及電致變色領域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。論文工作為新型LDHs基雜化電極材料的設計、組裝及性能強化提供了新的研究思路。

3、
　　論文具體研究內(nèi)容如下:
　　1.LDHs基電極材料電子傳導性質(zhì)的優(yōu)化調(diào)控
　　采用原位生長法，在柔性導電布基底上垂直生長NiAl-LDH納米片陣列，然后通過減壓過濾，將表面羥基化的碳納米粒子(CNPs)包裹于NiAl-LDH納米片表面，得到了NiAl-LDH@CNPs雜化電極材料。CNPs的引入改善了電極材料整體的電子傳導性能，從而使得NiAl-LDH@CNPs的比電容得到了顯著提高（1146F/g，10mV/s

4、）?；贜iAl-LDH@CNPs雜化電極的柔性及結(jié)構(gòu)化特點，進一步制備了活性炭負極材料，進行組裝后得到全固態(tài)柔性超電容器件。該器件表現(xiàn)出較高的能量密度(47.7Wh/kg)與功率密度（51kW/kg），在柔性可穿戴電子設備領域具有潛在應用價值。
　　進一步調(diào)變主體層板的化學組成，在碳纖維(CFs)表面原位生長CoNi-LDH納米片陣列，經(jīng)高溫硫化后得到具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoNi2S4多孔材料。EIS測試結(jié)果表明CoNi2S4@CF

5、s電極內(nèi)部的電子傳導能力比CoNi-LDH@CFs提高了將近10倍;同時BET測試證明CoNi2S4@CFs尖晶石結(jié)構(gòu)具有更豐富的孔結(jié)構(gòu)，增大了活性比表面積。電化學測試表明CoNi2S4@CFs電極材料的比電容(1724F/g，1A/g)及倍率特性均得到了顯著改善;將CoNi2S4@CFs電極組裝為微型線型電容器器件，同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的超電容性能(232mF/cm2)，進一步拓展了LDHs基電容器件的應用型式。
　　2.LDHs基電

6、極材料離子傳輸特性的調(diào)控
　　采用靜電層層自組裝法，將剝層之后的LDH單層納米片與普魯士藍(PB)納米粒子交替組裝，得到具有優(yōu)異電致變色性能的(LDH/PB)n復合薄膜。該薄膜的超品格有序結(jié)構(gòu)顯著提高了PB納米粒子的分散性，增大了活性組分的利用率;PB納米粒子對LDH片層起到了柱撐作用，在LDH層間構(gòu)筑了二維離子通道，有助于電解液離子在LDH層間的擴散，縮短了(LDH/PB)n電致變色薄膜的響應時間。將(LDH/PB)60復合薄膜

7、與ITO電極進行組裝，得到的(LDH/PB)60-ITO/KCl/ITO電致變色器件表現(xiàn)出響應靈敏（著色/褪色時間為0.91s/1.21s）、著色效率高(68cm2/C)等優(yōu)勢，在光學顯示、智能窗等光電器件領域具潛在的應用前景。
　　基于LDH的結(jié)構(gòu)記憶效應，采用重構(gòu)組裝法制備了氫氧根插層的多級結(jié)構(gòu)鈷鋁水滑石(H-OH-LDH)電極材料。通過將參與反應的電解質(zhì)離子氫氧根引入LDH層間，作為電化學反應的“離子庫”，顯著縮短了反應過程

8、中離子的傳輸距離。研究結(jié)果表明在充放電速率為1A/g時，H-OH-LDH電極與前驅(qū)物P-CO3-LDH納米片電極相比，表現(xiàn)出更高的比電容(1031F/gvs.588F/g)。更為重要的是，H-OH-LDH電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的大電流充放電能力:電流密度增加到100A/g時，比電容仍保持66％，優(yōu)于文獻中報道的其它金屬氧化物/氫氧化物電極材料。
　　通過離子交換法分別制備了十二烷基磺酸根、戊烷磺酸根以及硝酸根插層的NiAl-LDH納米