用于能源生产和储存的纳米材料的设计和性能研究

摘要

能源危机已经成为人类面对的最重要的问题。要解决这个问题最主要的手段有两种:生产清洁的能源和制造高效的能源存储设备。本论文基于这两种解决能源危机的手段，从纳米材料角度入手，研究其在能源生产和能源存储方面的应用问题。具体研究内容如下:
　　1.涉及清洁能源生产的光电催化分解水反应中催化材料的研究。
　　主要研究了硅纳米线阵列（Silicon Nanowires Arrays，Si NWs）的合成及其光电催化分解水的性能。研究内容为:在不同掺杂类型的Si基底（p型和n型）上通过金属辅助刻蚀的方法合成了Si NWs，并在合成的Si NWs上负载了微量的纳米Pt颗粒。利用此Pt修饰的Si NWs(Si NWs/Pt)进行光电催化分解水的研究。结果表明:SiNWs/Pt的光电催化水分解性能较之SiNWs和平面Si基底有较大的提升，这是因为活性催化成分Pt的存在和SiNWs阵列结构的高表面粗糙度有效地提高了催化反应的性能。同时还重点研究了不同类型Si NWs/Pt（n和p型）和不同类型催化反应(氢气析出反应HER和氧气析出反应OER)之间的关系，发现不同类型的Si NWs/Pt对于HER和OER反应有不同的光增强效应，这一现象主要是由不同类型基底之间能带结构的差异引起的。
　　2.有关能源存储器件的超级电容器电极材料的研究
　　主要研究了碱处理过程中钴铝水滑石的形貌、结构及其超电容性能。研究内容包括:分别采用成核晶化隔离法和尿素水热法合成了CoAl-LDH，并对合成的水滑石进行不同时间的高浓度碱浸泡处理，制备出多孔CoAl-LDH复合产物。采用XRD、SEM、TEM、孔结构以及比表面积分析等测试手段对CoAl-LDH及其不同时间的碱处理产物样品的形貌和结构进行表征。结果显示，随着碱处理时间的增长，CoAl-LDH纳米片逐渐转变为多孔的CoAl-LDH/Co(OH)2复合物，最终被溶液中的氧气氧化成为CoOOH。同时对利用不同方法合成的CoAl-LDH及其碱处理产物进行电化学性能测试，来验证样品形貌及组成与超电容性能之间的关系。测试结果表明:不论是利用成核晶化隔离法还是利用水热法合成的CoAl-LDH样品，碱处理时间为1小时时，样品组成为Co(OH)2/CoAl-LDH，该复合物质还具有独特的多孔结构，因此在相应的系列产物中表现出最好的超电容性能、优越的循环稳定性以及出色的比率特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 光电催化分解水

1．2．1 光电催化分解水反应催化剂

1．2．2 硅基纳米线阵列光电催化分解水研究进展

1．3 超级电容器

1．3．1 超级电容器中的超电容电极材料

1．3．2 水滑石纳米材料在超级电容器中的应用研究进展

1．4 本论文的研究内容

第二章 硅基纳米阵列的合成及其光电催化分解水性能的研究

2．1 引言

2．2 实验药品与仪器

2．2．1 主要试剂

2．2．2 主要仪器

2．3 实验过程

2．3．1 硅基纳米线阵列的合成

2．3．2 硅基纳米线阵列的表征

2．3．3 硅基纳米线阵列的性能测试

2．4 硅基纳米阵列光电催化分解水性能研究

2．4．1 硅基纳米阵列的表征

2．4．2 硅基纳米阵列的光电催化分解水性能

2．5 本章小结

第三章 碱处理过程中钴铝水滑石形貌、结构及超电容性能的研究

3．1 引言

3．2 实验药品与仪器

3．2．1 主要试剂

3．2．2 主要仪器

3．3 实验过程

3．3．1 CoAl-LDH及其复合产物的合成

3．3．2 CoAl-LDH及其复合产物的表征

3．3．3 CoAl-LDH及其复合产物的电化学性能测试

3．4 碱处理过程中CoAl-LDH形貌和结构的转变过程分析

3．4．1 碱处理过程中CoAl-DH的形貌表征

3．4．2 碱处理过程中CoAl-LDH的结构表征

3．4．3 碱处理过程中CoAl-LDH的相转变过程分析

3．5 碱处理过程中CoAl-LDH超电容性能的研究

3．5．1 成核晶化隔离法合成的CoAl-LDH及其碱处理复合产物的超电容性能

3．5．2 水热法合成的CoAl-LDH及其碱处理复合产物的超电容性能

3．6 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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