新型過渡金屬氧化物微納結構的構筑及其相關性能研究.pdf

1、具備多樣形貌、獨特物理化學性質的過渡金屬氧化物微納米材料，在環境能源領域，比如超級電容器、電化學傳感器和光催化劑等方面有著廣闊的應用前景。開發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構與性能之間的關系，以及進一步拓寬金屬氧化物的應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、磁等應用中表現優異，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。本論文主要創新性研究結果如下：
　?。?）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熱處理在不銹鋼基底上大面積合成了復合納米網-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，如投料比，可以實現不同組分和形貌的NixCo3-xO4可控制備。對比多種形貌的NixCo3-xO4的電化學性能研究結果表明，調控其形貌結構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自組裝成的多孔網狀NiCo2O4具有最好的電化學性能，在10 A g-1電流密度下循環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前驅體材料，通過后續熱處理前驅體制備了具有規則形貌和超大比表面積的CuO多孔納米管。通過觀察不同反應時間段的中間產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的性能通過循環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出超低的檢測限（可低至1.07μM（S/N=3）），和伴隨優良靈敏度（2231μA mM-1 cm-2，R=0.999）的寬范動態范圍（線性響應可達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。以上結果表明，CuO納米管/銅箔電極在多種應用中是一種潛力

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構的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電極均表現出了良好的法拉第贗電容特性，通過循環伏安法和恒電流充放電技術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）?；頒uO電極具有如此優異的電化學性

7、能是來自于它的三維自組裝結構，這種結構的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構的完整性，而且還縮短了OH-的擴散路徑。
　?。?）采用工藝簡單、成本低廉的電化學陽極氧化法，以基底銅網為銅源，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過退火處理的Cu(OH)2脫水轉變成CuO，樣品形貌仍然保持相互交聯的納米片薄膜。電化學超電容測試表明合