多級結(jié)構(gòu)氧化鎳超級電容器電極材料的研究

多級結(jié)構(gòu)氧化鎳超級電容器電極材料的研究過渡金屬氧化物因其多樣的價電子結(jié)構(gòu),豐富的物理和化學性質(zhì),以及在光電、催化、磁性以及超級電容器等領(lǐng)域的應用成為當今研究的熱點。以獲得具有特定尺寸、維度、單分散和大比表面積的多級和多孔結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物為目標,設計新合成工藝,探索其生長機制為研究內(nèi)容,深入系統(tǒng)地研究了多級、多孔結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,進一步實現(xiàn)了納米材料的組裝,建立功能納米材料的特殊結(jié)構(gòu),并進行了電化學的實際應用研究。本論文就多級和多孔結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物NiO納米材料的控制合成及其電化學性質(zhì)進行了研究,對晶體生長機理、材料的形貌尺寸等與電化學性能之間的關(guān)系進行了探索。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,通過設計合理的反應條件和摻雜比例,實現(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,并驗證了鑭摻雜與多種NiO形貌形成的相關(guān)性?；诩{米顆粒組裝的多孔微球以及其孔道相通的特殊性,對其制備的電極的比容量和可逆性進行了研究,研究表明鑭的摻雜改變了晶體的生長習性,使得產(chǎn)物粒徑有所縮小,同時,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,促進了電解液離子在NiO中的傳輸和擴散,降低了離子傳輸阻力,同時為電子傳輸提供了良好的導電通道,對以上材料電化學性質(zhì)的研究為稀土摻雜改性過渡金屬氧化物在納米器件上的潛在應用提供了實驗依據(jù)。建立了形貌控制劑檸檬酸鈉輔助均相沉淀合成方法,通過選用適量的檸檬酸鈉和不同溶劑體系,獲得了一系列多級和多孔結(jié)構(gòu)的NiO微納米結(jié)構(gòu),研究了晶體結(jié)構(gòu)與生長行為的相關(guān)性。重點考察了檸檬酸鈉在多孔片層形成過程中的作用,對晶體基元組裝成多級結(jié)構(gòu)NiO納米微球的生長機制分析,表明當α-Ni(OH)2層間插入大量的C6H5O73-后,由于屏蔽作用導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NiO微球。利用以上電極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點,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)良的超級電容器電極材料。在檸檬酸鈉輔助體系中,通過探索溶劑效應,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,對產(chǎn)物的SEM和TEM測試表明,NiO微球是殼與核之間存在空隙的典型空心核殼結(jié)構(gòu),通過對比不同反應時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,不同烷基鏈長度(甲醇、丙醇和丁醇),會影響離子偶極作用力,導致核殼空心結(jié)構(gòu)被破壞。此外,通過對乙醇為溶劑制備的空心核殼NiO微球的電化學測試表明,電極表現(xiàn)出良好的電容特性,長循環(huán)后庫倫效率達到95%以上。設計了單分散多級花狀NiO金屬鎳網(wǎng)基底原位生長體系,探索了氨水的用量,金屬基底種類,煅燒氛圍和沉積時間等對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和電化學性能的影響?；诋a(chǎn)物的多孔特性以及原位生長的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,將其用于超級電容器電極材料,表現(xiàn)出良好的電容性能,特別是3000次大電流充放電測試后電極表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。當選用微波反應體系后,通過調(diào)控微波反應時間和鎳鹽種類,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,能夠增加反應效率和反應熱點,使得短時間內(nèi)產(chǎn)生更多的N