多級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鎳超級(jí)電容器電極材料的研究

多級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鎳超級(jí)電容器電極材料的研究過(guò)渡金屬氧化物因其多樣的價(jià)電子結(jié)構(gòu),豐富的物理和化學(xué)性質(zhì),以及在光電、催化、磁性以及超級(jí)電容器等領(lǐng)域的應(yīng)用成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。以獲得具有特定尺寸、維度、單分散和大比表面積的多級(jí)和多孔結(jié)構(gòu)過(guò)渡金屬氧化物為目標(biāo),設(shè)計(jì)新合成工藝,探索其生長(zhǎng)機(jī)制為研究?jī)?nèi)容,深入系統(tǒng)地研究了多級(jí)、多孔結(jié)構(gòu)過(guò)渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了納米材料的組裝,建立功能納米材料的特殊結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了電化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用研究。本論文就多級(jí)和多孔結(jié)構(gòu)過(guò)渡金屬氧化物NiO納米材料的控制合成及其電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,對(duì)晶體生長(zhǎng)機(jī)理、材料的形貌尺寸等與電化學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了探索。發(fā)展了稀土鑭摻雜與硬模板法相結(jié)合合成多孔NiO微球的新方法,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)條件和摻雜比例,實(shí)現(xiàn)了多孔結(jié)構(gòu)NiO的構(gòu)筑,調(diào)控模板去除條件,合成了空心結(jié)構(gòu)NiO微球,并驗(yàn)證了鑭摻雜與多種NiO形貌形成的相關(guān)性。基于納米顆粒組裝的多孔微球以及其孔道相通的特殊性,對(duì)其制備的電極的比容量和可逆性進(jìn)行了研究,研究表明鑭的摻雜改變了晶體的生長(zhǎng)習(xí)性,使得產(chǎn)物粒徑有所縮小,同時(shí),得到的多孔道微球大大增加子電解液與活性物質(zhì)之間的接觸面積,增大了活性物質(zhì)NiO的利用率,促進(jìn)了電解液離子在NiO中的傳輸和擴(kuò)散,降低了離子傳輸阻力,同時(shí)為電子傳輸提供了良好的導(dǎo)電通道,對(duì)以上材料電化學(xué)性質(zhì)的研究為稀土摻雜改性過(guò)渡金屬氧化物在納米器件上的潛在應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。建立了形貌控制劑檸檬酸鈉輔助均相沉淀合成方法,通過(guò)選用適量的檸檬酸鈉和不同溶劑體系,獲得了一系列多級(jí)和多孔結(jié)構(gòu)的NiO微納米結(jié)構(gòu),研究了晶體結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)行為的相關(guān)性。重點(diǎn)考察了檸檬酸鈉在多孔片層形成過(guò)程中的作用,對(duì)晶體基元組裝成多級(jí)結(jié)構(gòu)NiO納米微球的生長(zhǎng)機(jī)制分析,表明當(dāng)α-Ni(OH)2層間插入大量的C6H5O73-后,由于屏蔽作用導(dǎo)致層間的氫鍵鍵能降低,最終形成了柔韌性良好,片層較薄的納米片,經(jīng)過(guò)定向排列后,形成了α-Ni(OH)2層間插有C6H5O73-的微球,煅燒處理后,得到了基于多孔片組裝的多級(jí)NiO微球。利用以上電極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),電極1000次循環(huán)后表現(xiàn)出良好的容量穩(wěn)定性和較低的電極阻抗,是一種優(yōu)良的超級(jí)電容器電極材料。在檸檬酸鈉輔助體系中,通過(guò)探索溶劑效應(yīng),利用夾層模板法合成了多孔殼層的空心核殼結(jié)構(gòu)NiO微球,對(duì)產(chǎn)物的SEM和TEM測(cè)試表明,NiO微球是殼與核之間存在空隙的典型空心核殼結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)比不同反應(yīng)時(shí)間制備的樣品形貌可知,各種正烷基醇的烷基鏈和檸檬酸根的離子偶極作用是形成此結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,不同烷基鏈長(zhǎng)度(甲醇、丙醇和丁醇),會(huì)影響離子偶極作用力,導(dǎo)致核殼空心結(jié)構(gòu)被破壞。此外,通過(guò)對(duì)乙醇為溶劑制備的空心核殼NiO微球的電化學(xué)測(cè)試表明,電極表現(xiàn)出良好的電容特性,長(zhǎng)循環(huán)后庫(kù)倫效率達(dá)到95%以上。設(shè)計(jì)了單分散多級(jí)花狀NiO金屬鎳網(wǎng)基底原位生長(zhǎng)體系,探索了氨水的用量,金屬基底種類,煅燒氛圍和沉積時(shí)間等對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響?；诋a(chǎn)物的多孔特性以及原位生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,將其用于超級(jí)電容器電極材料,表現(xiàn)出良好的電容性能,特別是3000次大電流充放電測(cè)試后電極表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。當(dāng)選用微波反應(yīng)體系后,通過(guò)調(diào)控微波反應(yīng)時(shí)間和鎳鹽種類,得了納米三角片和納米纖維等一系列基本結(jié)構(gòu)單元,及其組裝的花狀和多級(jí)中空結(jié)構(gòu)NiO微球,由于微波的高加熱速率,能夠增加反應(yīng)效率和反應(yīng)熱點(diǎn),使得短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的N