三元金屬氧化物的合成與電化學性能研究.pdf

1、在過去的幾十年中，人們主要將目光集中在二元金屬氧化物的研究上，對三元氧化物的研究較少，而如今由于三元金屬氧化物固有的特性，如寬禁帶、高介電常數和活躍的電子運輸能力，被認為是杰出的構建光電以及電學器件的基石。例如，三元氧化物價態可調確保了高電導率和豐富的電化學活性位點。相似的晶體結構和離子半徑也使成分之間可相互調整以滿足光電器件的帶隙要求。尤其超級電容器具備功率密度，快速充電/放電特點和優異的周期穩定性的優點而異軍突起。提高超級電容器的關

2、鍵是電極材料的選擇。大多數二元金屬氧化物如MnO2,CoO，Co3O4,NiO，等屬于寬禁帶半導體材料甚至絕緣材料，電導率和循環使用壽命都比較差，性能好的電極材料如RuO2等價格昂貴又具有毒性。三元氧化物如NiCo2O4電導率較大，比表面積較大能夠提供較大的比電容且毒性較小。迄今為止，人們發展各種方法如物理法和化學法來制備三元金屬氧化物，然而，除了方法不具備普遍性以外，往往還需要添加劑以及后處理，或者需要苛刻的制備環境如高溫高壓，這不可

3、避免的造成了環境問題和繁瑣的操作。本論文發展了兩種不同的方法合成了不同結構、不同形貌的三元氧化物，一種是傳統的模版法合成了單層和雙層的納米NiCo2O4空心球，并研究其在超級電容器中的性能;另一種是普遍的激光-水熱法，即通過結合液相激光燒蝕和短時間的水熱法制備了各種三元氧化物納米晶，研究了通過該法制備的Zn2GeO4納米棒的光催化性能、光電響應和納米NiCo2O4的電化學性能。具體研究內容如下:
　　(1)通過傳統的溶液法包覆碳球

4、基底，退火后制備單層NiCo2O4空心球;再次包覆單層NiCo2O4空心球退火得到雙層NiCo2O4空心球，當從單層結構變為雙層結構時，比表面積增大了50％(從76.6到115.2 m2 g-1)。
　　(2)研究了不同退火溫度以及退火氣氛對雙層NiCo2O4空心球的影響。將不同條件下的四個樣品分別作為超級電容器的活性電極材料，發現低溫氫化后的雙層NiCo2O4空心球的內阻和Warburg阻抗大大減小。且與單層NiCo2O4空心球

5、相比，當電流密度為1Ag-1時，比電容從445提高到718 F g-1,增加了62％。在電流密度為2Ag-1循環2000次之后，電容保持在80％以上。將性能最佳的低溫退火樣品作為陽極，和活性炭組裝成完整的全電容，具有快速的電流-電壓響應。50 mA cm-2電流密度下，2000個循環之后電容仍然可以保持89.9％。
　　(3)通過液相激光燒蝕法并結合短時間的水熱，在常溫常壓下成功制備了一系列三元氧化物包括Zn2GeO4,NiCo2

6、O4,Zn2SnO4,ZnFe2O4,ZnMnO3和Fe2GeO4。以Zn2GeO4納米棒的合成為例，講述了詳細的反應過程和機理研究。整個反應包括以下步驟:即刻成核和生長，蝕刻和擴散生長，隨之繼續長大。1h內可以形成單晶Zn2GeO4納米棒，在常溫常壓下，可以獲得鍺基復合材料?；贜iCo2O4納米晶制備的電容器展現了優異的電容性能，電流密度為1Ag-1時比電容為1113Fg-1,在20Ag-1的高電流密度下，電容保持在初始電容的68.