过渡族金属氧化物纳米线及其复合结构应用于高效能源转换

摘要

气相阳离子交换是一种应用广泛的合成手段，可用于设计产物的尺寸、形貌、结构及成分。本文主要利用气相阳离子交换这一合成手段，以单晶ZnO纳米线为模板制备了单晶ZnxCo1-xO纳米线和NiP2/NiO纳米线复合结构，将其分别应用于超级电容器和电解水催化产氢(HER)的研究。 首先，以单晶ZnO阵列为模板利用气相阳离子交换的方法合成了表面富含氧空位的单晶CoO纳米线，通过调控交换温度调了控Zn和Co的比例，得到Zn和Co原子级别均匀分布的单晶ZnxCo1-xO纳米线。通过调控Zn和Co的比例优化导电性和氧空位含量，实现了加快电子传输和促进O2-的插入和扩散的目的，得到了性能优异的Zn0.04Co0.96O超级电容器正极材料，其单电极比电容达到806.8F g-1且具有良好的循环稳定性，经过5000圈充放电测试后性能依然能够保持在89%；将其与活性炭负极材料组装成非对称超级电容器后，能量密度达到46wh kg-1。 另外，本文还通过气相阳离子交换得到NiO纳米线，然后将NiO部分磷化得到NiP2/NiO复合纳米线结构。高分辨电子显微研究表明NiP2/NiO纳米线中NiO作为主体分布在NiP2/NiO纳米线的内部，NiP2以颗粒的形式均匀分布在外部，直径约3nm。将NiP2/NiO纳米线用于碱性HER，相较于纯相NiP2获得了优异的HER活性及稳定性：在10mA cm-2的过电位下，NiP2/NiO纳米线电解水产氢的过电位为131mv，经过20h的长时间稳定性测试后能够保持91%的催化活性。我们证实，当NiP2与NiO复合后能够促进碱性体系下H2O的分解过程，从而改善碱性HER催化动力学；另外通过NiO中氧空位与NiP2中P之间的电子转移作用，优化了NiP2的电子结构，调节了NiP2对HER中间产物的吸/脱附作用，从而提高了磷化物在碱性体系下的HER催化活性。这种在导电基底上原位生长的金属磷化物/氧化物混合纳米线结构将为工业实际应用的HER电催化剂的设计提供新途径。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 过渡族金属氧化物应用于超级电容器

1.2.1 超级电容器的结构

1.2.2 超级电容器的种类与原理

1.2.3离子插入型超级电容器

1.3 过渡族金属氧化物/磷化物复合结构应用于HER

1.3.1 过渡族金属磷化物应用于酸性HER

1.3.2 过渡族金属磷化物应用于碱性HER

1.4 课题的研究思路及创新点

第2章 实验仪器与研究方法

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 表征与测试仪器

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 透射电子显微镜

2.3.3 X射线衍射仪

2.3.4 X射线光电子能谱分析仪

2.3.5 电感耦合等离子体质谱仪

2.4 实验方法

2.4.1 ZnO纳米线阵列的制备

2.4.2 单晶ZnxCo1-xO纳米线阵列的制备

2.4.3 多晶CoO纳米线阵列的制备

2.4.4 非对称超级电容器电极制备

2.4.5 NiO纳米线的制备

2.4.6 NiP2/NiO纳米线的制备

2.4.7 Pt/C电极的制备

2.5 电化学测试方法

2.5.1 超级电容器性能测试方法

2.5.2 HER性能测试方法

第3章 ZnxCo1-xO纳米线电极材料电化学性能

3.1 本章引言

3.2 ZnxCo1-xO纳米线的制备

3.3 材料的表征

3.3.1 ZnxCo1-xO纳米线的表征

3.3.2 多晶CoO纳米线的表征

3.4 材料的电化学性能

3.4.1 CoO纳米线电化学性能

3.4.2 单晶CoO纳米线性能提升原因

3.4.3 ZnxCo1-xO纳米线电化学性能

3.4.4 ZnxCo1-xO纳米线性能提升原因

3.5 Zn0.04Co0.96O/AC非对称超级电容器性能

3.6 本章小结

第4章 NiP2/NiO纳米线碱性HER性能研究

4.1 本章引言

4.2 NiP2/NiO纳米线的制备

4.3 材料的表征与电化学性能

4.3.1 NiO纳米线的表征

4.3.2 NiP2/NiO复合材料的表征

4.3.3 NiP2/NiO纳米线的电催化性能

4.3.4 NiP2/NiO纳米线性能提升原因

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢