金屬襯底表面納米結構材料的原位組裝及其電化學性能.pdf

1、納米結構材料是指由低維納米材料作為結構單元，按照一定規(guī)律排列組合所得到的具有獨特結構的新型材料。由于其獨特的物理化學性質，納米結構材料已經成為目前材料領域研究新熱點，特別是金屬襯底表面原位生長的納米結構材料，其獨特的結構使其具有比表面積大、機械強度高、利于電子和離子遷移等優(yōu)點，被認為是解決下一代能量儲存和轉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納米結構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、其生產成本。因此，本文主要通過開發(fā)簡單通用的合成手段來實現(xiàn)金屬襯底表面納米結構的生長組裝，并測試其作為燃料電池的催化電極、電化學電容器和鋰離子電池電極材料的性能，主要研究內容如下：
　　利用化學熱解法在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電骨架，利用簡單的電勢階躍法將Pd成功負載到納米棒上，通過調變電沉積參數(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）兩種不同形貌結構的三維電極，考察了Pd NP-C@TiO2對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NaBH4電氧化反應的催化活性是碳負載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，在相同的測試條件下，PdNF-C@Ti

4、O2電極的電流密度可以達到1.17 A?mg-1，而商業(yè)Pd/C電極只有0.09 A?mg-1；
　　利用化學熱解法在Ti6Al4V表面一步生長制備碳包覆TiC納米棒陣列（C@TiC），并以此納米棒陣列作為三維導電骨架，通過簡單的恒電流電沉積方法在納米棒表面沉積出過渡金屬金屬顆粒，然后利用原位誘導生長法，將過渡金屬顆粒轉化為金屬氧化物-金屬復合納米結構，最終制備出一系列類似試管刷結構的三維電極，包括NiO@Ni的納米薄片以及Fe3

5、O4@Fe納米線。對其生長機理進行了初步探究，認為在制備過程中，氫氣的析出是造成形貌的形成的主要原因。分別測試了NiO@Ni-C@TiC電極的電容性能和Fe3O4@Fe-C@TiC電極的儲鋰性能，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，是目前文獻報導的NiO比電容的最高值。Fe3O4@Fe-C@TiC電極作為鋰離子電池負極也表現(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；
　　通過改變反應溶劑中乙醇和水的比例，實現(xiàn)了對生長在泡沫鎳基體表面上的Co3O4材料進行形貌調變，發(fā)現(xiàn)在溶劑熱過程中，乙醇作為反應物參與了Co3O4前驅體的形成過程，從而起到了改變形貌的作用。測試了所制備Co3O4材料在堿性介質中催化H2O2電還原性能，發(fā)現(xiàn)其催化性能明顯優(yōu)于目前文獻報導中過渡金屬氧化物的性能；

7、在此基礎之上，利用水熱法在泡沫鎳表面首次制備了(Co, Mn)3O4納米線，測試結果顯示其催化性能明顯優(yōu)于相同條件下的Co3O4納米線，初步提出了一種H2O2在過渡金屬氧化物上的化學反應和電化學反應耦合機制，認為Co與Mn的電負性的不同是導致其催化性能的差異主要原因；最后，利用簡單的電沉積方法，實現(xiàn)了在泡沫鎳基體表面成功制備出Co3O4和NiCo2O4納米片，大大簡化了制備方法，并有利于規(guī)?；苽淞畠rH2O2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，然后通過自化學置換法對多孔Ni層表面進行了Pd元素修飾，制備出了三維開放式多孔網狀電極（Pd-porous Ni/Ni foam），測試了電極催化NaBH4電氧化性能，結果顯示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電極上電氧化反應的轉移電子數(shù)為6.6，表明此電極上NaBH4