新型過渡金屬氧化物微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其相關(guān)性能研究.pdf

1、具備多樣形貌、獨特物理化學(xué)性質(zhì)的過渡金屬氧化物微納米材料，在環(huán)境能源領(lǐng)域，比如超級電容器、電化學(xué)傳感器和光催化劑等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)新的過渡金屬氧化物微納米材料的合成方法，研究材料生長過程，進而獲得具有特定形貌、維度、尺寸的微納米材料，對于探索材料的微納結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以及進一步拓寬金屬氧化物的應(yīng)用范圍具有重要的意義。在過渡金屬氧化物中，四氧化三鈷（Co3O4）、氧化鎳（NiO）、鈷酸鎳（NiCo2O4）、氧化銅（CuO

2、）等代表性氧化物在光、電、磁等應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，因而獲得了廣泛的研究。本論文采用水熱法、原位生長法和陽極氧化法等簡單、低能耗的合成方法成功實現(xiàn)了過渡金屬氧化物微納米材料的可控制備，并研究了其在超級電容器、非酶葡萄糖傳感器和光催化方面的性能。本論文主要創(chuàng)新性研究結(jié)果如下：
　　（1）以氯化鈷、氯化鎳和硝酸銨為原料，通過簡單的水熱法和后續(xù)熱處理在不銹鋼基底上大面積合成了復(fù)合納米網(wǎng)-片NiCo2O4多孔材料。其中硝酸銨提供的NH4+有利于

3、Co(OH)2和Ni(OH)2的成核-生長速率一致。通過改變實驗參數(shù)，如投料比，可以實現(xiàn)不同組分和形貌的NixCo3-xO4可控制備。對比多種形貌的NixCo3-xO4的電化學(xué)性能研究結(jié)果表明，調(diào)控其形貌結(jié)構(gòu)和孔徑分布對超級電容器的性能有很大的影響。其中，由超薄納米片和納米網(wǎng)自組裝成的多孔網(wǎng)狀NiCo2O4具有最好的電化學(xué)性能，在10 A g-1電流密度下循環(huán)10000圈后其容量保持率高達94.8％。
　?。?）以銅箔為基底和銅源

4、，通過原位生長法成功合成了管狀 Cu(OH)2前驅(qū)體材料，通過后續(xù)熱處理前驅(qū)體制備了具有規(guī)則形貌和超大比表面積的CuO多孔納米管。通過觀察不同反應(yīng)時間段的中間產(chǎn)物來詳細研究了形貌演變的過程。將得到的多孔CuO納米管應(yīng)用到超級電容器中，該電極材料在1 A g-1電流密度下的比容量高達442 F g-1，循環(huán)充放電5000圈后比電容僅損失了4.6%。此外，CuO納米管對葡萄糖的電氧化反應(yīng)的性能通過循環(huán)伏安法進行了充分研究。在+0.55 V工

5、作電位下對葡萄糖的計時安培檢測，由CuO納米管/銅箔直接用作電極展現(xiàn)出超低的檢測限（可低至1.07μM（S/N=3）），和伴隨優(yōu)良靈敏度（2231μA mM-1 cm-2，R=0.999）的寬范動態(tài)范圍（線性響應(yīng)可達3 mM）。而且，在干擾物的正常生理水平濃度下，來自壞血酸（AA）、尿酸（UA）、尿素、乳糖、氯化鈉的干擾可以忽略不計，證明了 CuO納米管/銅箔電極高定向的選擇性。以上結(jié)果表明，CuO納米管/銅箔電極在多種應(yīng)用中是一種潛力

6、很大的功能材料。
　?。?）以銅箔為銅源，利用簡單的堿性溶液氧化法在加入不同表面活性劑的條件下合成了花狀、球狀、珊瑚狀等三種不同形貌結(jié)構(gòu)的CuO納米材料。測量其在堿性溶液中的電容性能，三種形貌的CuO電極均表現(xiàn)出了良好的法拉第贗電容特性，通過循環(huán)伏安法和恒電流充放電技術(shù)測得花狀電極的比電容最大（615 F g-1，在5mV s-1的掃描速率下；520 F g-1，在1 A g-1的電流密度下）。花狀CuO電極具有如此優(yōu)異的電化學(xué)性

7、能是來自于它的三維自組裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的CuO納米花不僅可以緩沖充放電過程中的體積變化以維持材料結(jié)構(gòu)的完整性，而且還縮短了OH-的擴散路徑。
　?。?）采用工藝簡單、成本低廉的電化學(xué)陽極氧化法，以基底銅網(wǎng)為銅源，首次在其表面原位生長出一層類石墨烯狀的Cu(OH)2超薄納米片薄膜。通過 SEM、TEM和HRTEM等表征手段證實了經(jīng)過退火處理的Cu(OH)2脫水轉(zhuǎn)變成CuO，樣品形貌仍然保持相互交聯(lián)的納米片薄膜。電化學(xué)超電容測試表明合