高比表面积无机物的可控合成及其电化学储能与催化性能研究
随着纳米科技的不停发展，研究者们逐渐发现纳米尺度的材料可以展示出和块体材料不一样的性能。其中，有关具有高比表面积的材料的相应研究是当下的一个重要课题。从起源上分类，比表面积有两种：本征比表面积和非本征比表面积。本征比表面积由材料本身的晶体结构决定，不受其形貌影响，而非本征比表面积则由材料的形貌决定。高比表面积材料不仅对基础科学研究有所促进，还对多种重要工业领域产生深远的影响，如催化、氢气存储、锂离子电池和超级电容器等。 本论文首先综述了比表面积的分类及检测方法，重点介绍了高比表面积材料的多种重要应用，进而集中研究了新型高比表面积无机材料的可控合成，同时以电容器储能和催化性能研究为例，探究了高比表面积对材料的电化学储能及催化的改善作用。主要研究成果概况如下： (1)针对目前关于高本征比表面积材料仅集中于沸石和有机金属骨架结构材料的现状，本研究通过水热法合成六方相的三氧化钨，证实其具有高达46.585 m2/g的总比表面积，此中本征比表面积占有24.025 m2/g，超过总比表面积一半。同时通过低压CO2等温吸附及非定域密度泛函拟合，确定所合成六方相三氧化钨的超微孔道直径为3.67?。与之相比，同样由WO6晶胞组成但晶胞排列不同的单斜相三氧化钨不具有此超微孔道。本研究首次探测到，除了沸石和有机金属骨架结构材料外，过渡金属氧化物也可以具有开放的超微孔道及高本征比表面积。随后通过研究电化学储能特性，发现当阳离子尺寸较小时(H+和 Li+)，阳离子可以进入六方相超微孔道，从而提高了三氧化钨的超级电容特性，而当阳离子尺寸较大时(Na+)，阳离子无法自由进出超微孔道，此时高本征比表面积并不能改善其电化学储能性能。据此研究，本文拓展了高本征比表面积材料的种类及晶体内超微孔道在电化学储能方面的研究。 (2)为了更简便地制备具有高非本征比表面积的碳，本研究以染料罗丹明B为原料，先将其与KOH反应，随后在氩气中高温碳化，得到具有多级孔结构的氮掺杂碳材料。其中，在700℃碳化的样品具有高达1573 m2/g的比表面积，主要以小于5 nm的介孔和微孔为主，且与大孔共存。合成的碳材料还具有多种含氮（吡咯型氮、吡啶酮型氮等）及含氧（酮及醌类氧、醚类氧和羧基氧）官能团，官能团提高了电极材料与电解液间的浸润性，并且氮掺杂提高了产物碳的电导性，促进了碳材料的电化学储能性能，例如700℃碳化的样品在2 A/g下表现出高达301 F/g的双电层比电容。 (3)为了更简易地制备高比表面积的金属/金属氧化物石墨烯复合物，本研究以氧化石墨烯和金属盐溶液为前驱体，通过冷冻干燥，使用氙灯曝光一步法合成均匀分布的金属或金属氧化物（尺寸在10~20 nm间）和还原的氧化石墨烯的复合物。合成过程迅速、无模板且无还原剂参与。以催化性能研究为例，证实铁氧化合物或镍氧化合物和石墨烯的复合物电化学析氧稳定性好，并且钯和石墨烯的复合物在催化铃木反应中可实现原料100％的转化。
高比表面积;超微孔三氧化钨;氮掺杂碳材料;可控合成;电容器储能;催化性能
华中科技大学
博士
物理电子学
周军
2016
中文
TM287;TM201.4
133
2017-05-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）