多孔金属过渡金属氧化物复合材料的制备及电化学性能研究
mofs衍生纳米多孔碳包覆铁氧化物复合材料制备方法及应用
mofs衍生纳米多孔碳包覆铁氧化物复合材料制备方法及应用1. 概述MOFs是指金属有机框架材料，是一种高度结构化的多孔材料，它由金属离子和有机配体通过配位键连接而成。
常见的MOFs材料有ZIF-8、MIL-101、UiO-66等。
MOFs材料具有高度的表面积和孔径，具有典型的多孔材料特性，可以在分子水平上精确调控孔径大小和表面性质，具有广泛的应用前景。
此外，MOFs材料还具有良好的化学稳定性和可控性，为制备多孔材料复合材料提供了很好的基础。
因此，将MOFs作为模板，制备纳米多孔碳被广泛研究，由于其结构精妙，具有多孔、高孔容、高比表面积等良好特性，能够充分发挥纳米材料的特点，因而具有广泛的应用前景。
同时，将Fe3O4与MOFs材料复合制备成纳米多孔碳包覆铁氧化物具有优秀的磁性、光学、催化等性质，在生物医学、催化、能源等领域有重要的物理和化学作用，因此也备受研究者的关注。
接下来，本文将简要介绍MOFs衍生纳米多孔碳包覆铁氧化物复合材料制备方法及应用。
2. MOFs衍生纳米多孔碳包覆铁氧化物的制备方法MOFs衍生纳米多孔碳包覆铁氧化物的制备方法主要包括以下几个步骤：2.1 MOFs材料的制备MOFs材料的制备方法主要是通过配位反应在水相或非水相溶液中生成。
常见的方法有溶剂热法、常压气相沉积法、水热法、溶剂振荡法等。
在MOFs的制备过程中，可根据实际需要进行调节，以得到不同孔径、不同性质的材料。
2.2 MOFs材料的热解MOFs材料的热解是指将MOFs材料在高温下分解为无机颗粒和有机物的过程。
热解温度与时间对复合材料孔径、比表面积和磁性等性质有很大的影响。
通常可将MOFs材料在氮气或氢气气氛下热解，使得其无机骨架得到保留，有机物质被完全转化为碳。
2.3 包覆Fe3O4在MOFs材料热解后形成的纳米多孔碳材料表面较为平整，更容易表面修饰，而铁氧化物的具有催化、磁性等优良特性，可以与纳米多孔碳材料形成复合材料。
物理实验技术中的过渡金属氧化物的合成与电子结构分析方法
物理实验技术中的过渡金属氧化物的合成与电子结构分析方法过渡金属氧化物是一类具有丰富物理性质和潜在应用价值的功能材料。
在近几十年的研究中，人们发现过渡金属氧化物具有各种各样的电子结构和物理特性，如金属-绝缘体转变、强关联效应和多铁性等。
因此，研究过渡金属氧化物的合成方法和电子结构分析技术对于揭示其物理机制、优化性能以及实现相关器件的应用具有重要意义。
一、过渡金属氧化物的合成方法过渡金属氧化物的合成方法一般可以分为化学法和物理法两大类。
其中，化学沉积法是最常见和常用的一种方法。
化学沉积法包括溶胶凝胶法、水热合成法、溶液凝胶法等。
这些方法具有合成简便、操作灵活、成本较低等优点，可以制备各种形貌和尺寸的过渡金属氧化物。
此外，化学气相沉积法和物理蒸发法等物理法也可以制备高质量的过渡金属氧化物薄膜。
不同的合成方法可以调控氧化物的晶体结构、形貌和物理性质，有助于满足特定应用需求。
二、电子结构分析方法为了研究过渡金属氧化物的电子结构，科研人员使用了多种分析技术。
以下是几种常见的电子结构分析方法：1. X射线衍射（XRD）：XRD技术可以确定材料的晶体结构和晶格参数。
通过对X射线的散射模式进行分析，可以得到晶体的结构、取向、晶界等信息。
这些信息对于了解氧化物的晶体缺陷结构以及晶粒尺寸的影响非常重要。
2. 扫描电镜（SEM）：SEM技术可以观察材料的表面形貌和结构。
通过施加高能电子束，可以得到金属氧化物的高分辨率图像，从而分析样品的形貌和表面性质。
此外，SEM还可以与能谱分析仪（EDS）联用，用于定量分析元素的含量和分布。
3. 透射电子显微镜（TEM）：TEM是一种常用的高分辨率电子显微镜技术，可以观察到材料的晶体结构和纳米尺度的细节。
通过TEM，可以观察到过渡金属氧化物的晶体缺陷、界面和纳米颗粒等结构特征，并且可以进行电子衍射和高分辨透射电子显微学分析。
4. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR技术利用吸收在红外波段的辐射来研究材料的振动特性。
过渡金属二硫属族化合物的制备及电学性质研究
过渡金属二硫属族化合物的制备及电学性质研究过渡金属二硫属族化合物是一类具有重要电学性质的材料，在光电器件、催化剂、能量存储等领域具有广泛的应用潜力。
本文将探讨过渡金属二硫属族化合物的制备方法以及其在电学性质方面的研究进展。
1. 制备方法过渡金属二硫属族化合物的制备方法通常可以分为以下几种：(1) 气相沉积法：气相沉积法是一种常用的制备过渡金属二硫属族化合物的方法。
该方法通过将金属和硫化合物放置在高温反应室中，利用气相反应生成所需化合物。
其中，化学气相沉积法、物理气相沉积法和熔体沉积法是常用的气相沉积方法。
(2) 水热合成法：水热合成法通过在高温高压条件下，将金属离子和硫酸盐或硫化物反应生成所需化合物。
该方法具有反应温度适中、反应时间短等优点，可以制备形貌可控的纳米材料。
(3) 氧化还原法：氧化还原法通过控制反应体系的氧化还原电位，使金属物种先在表面氧化，然后与硫化物反应生成所需化合物。
该方法适用于制备薄膜、薄片等形貌较复杂的材料。
2. 电学性质研究过渡金属二硫属族化合物具有丰富的电学性质，其电导率、特定电容等性质决定了其在电子器件中的应用潜力。
(1) 电导率：过渡金属二硫属族化合物具有可调控的电导率。
通过控制化合物的成分、晶格结构等因素，可以有效调控电导率大小。
这种可调控性使得过渡金属二硫属族化合物在光电器件、传感器等领域具有广泛应用。
(2) 电容特性：过渡金属二硫属族化合物具有较高的比表面积和电容特性，是制备超级电容器等能源存储材料的理想候选。
研究表明，通过改变化合物的形貌、结构等因素，可以进一步提高其电容性能。
(3) 光电性能：过渡金属二硫属族化合物具有优良的光电转换性能和光电响应特性。
在光电器件中，作为光敏材料，可以将光能转化为电能，实现能量转换和存储。
总结：过渡金属二硫属族化合物的制备方法多样，包括气相沉积法、水热合成法和氧化还原法等。
在电学性质方面的研究表明，过渡金属二硫属族化合物具有可调控的电导率、高电容特性以及优良的光电性能，对于光电器件、能量存储等领域具有广泛应用的潜力。
过渡金属氧化物的制备及其电化学性质研究
过渡金属氧化物的制备及其电化学性质研究过渡金属氧化物是近年来研究的热点之一，它具有广泛的应用前景。
过渡金属可以用于电池、催化剂、半导体、太阳能电池、传感器和防腐等领域。
在这些领域中，电化学性质是一项非常关键的指标。
因此，本文将着重讨论过渡金属氧化物的制备方法和电化学性质研究。
一、过渡金属氧化物的制备方法1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种将液态前驱体转化为固态材料的制备方法。
它通常通过水解溶液中的金属离子来形成胶体颗粒，然后通过干燥、热处理等方法来形成氧化物材料。
该方法具有简单、低成本、对材料形貌易控制等优点。
但也存在制备时间长、产率低等缺点。
2.水热/热水法水热法是一种重要的制备方法，它利用高温高压的水来加速前驱体的水解和结晶反应。
该方法具有制备时间短、成本低等优点，但是反应条件易受多种因素影响，如反应时间、温度、压力等。
3.溶剂热法溶剂热法利用有机溶剂在高温下加速前驱体的晶体生长，从而制备出高质量的氧化物材料。
该方法具有制备速度快、控制材料形貌易等优点，但也存在高温高压条件下的操作难度大等缺点。
4.电化学制备法电化学制备法是一种通过电极反应来制备材料的方法。
该方法具有环保、易于实现等优点，但制备的材料质量还需要进一步提高。
5.其他方法除了上述方法外，还有热处理、微波辅助、蒸发法、组装法等多种制备方法。
不同的制备方法会使材料的物理、化学、结构和电性质有所不同，因此需要根据具体研究目的选择合适的制备方法。
二、过渡金属氧化物的电化学性质1. 能级结构过渡金属氧化物的电子能级结构对其电化学性质有重要影响。
基于能带理论，金属氧化物通常会产生导带带隙和价带带隙，能级结构决定了导带和价带的带边位置，进而影响材料的导电性、电化学催化性能等。
2. 电化学电容电化学电容是描述过渡金属氧化物电化学行为的一个重要参数。
电化学电容通常通过交流阻抗谱来测试，对于储能器件、超级电容器等应用具有重要意义。
在电化学反应中，过渡金属氧化物内部的离子传输和电子传输速率决定了其电化学电容的大小。
cuo-zno复合材料的制备及其光电化学性能的研究
文章编号：2095－6835（2020）06－0027－03CuO-ZnO复合材料的制备及其光电化学性能的研究李叶澄（中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山243005）摘要：通过光化学沉积合成异质结构的CuO-ZnO复合材料，在两种半导体的接触面形成p-n结，促进了电子在两者间的传递。
观察荧光谱图发现，因电子空穴淬灭引发的荧光峰消失了。
由于异质节的形成电荷分离的效率大大提高，从而使光催化的效率也得到了提高。
关键词：ZnO；CuO；光催化；二次污染中图分类号：O644.1文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.06.0091简介20世纪以来，科技的飞速发展给人类带来了极大的便捷与享受，但同时，自然环境也因过度开发和不合理的产业结构遭到了严重的破坏和污染，特别是人类赖以生存的水资源已受到严重的威胁。
传统的水污染治理方法存在着技术落后、效率低下、重复利用率低下、成本高、易产生二次污染的缺点。
在这个大背景下，光催化技术因其效率高、成本低、性能稳定的特点逐步发展了起来。
氧化锌（ZnO）是一种具有3.2～3.4eV的宽带隙的n 型半导体，由于其优异的电学性质、光电性质、压电和催化性能而成为最有前途的材料之一[1]。
此外，将其他材料与ZnO结合也引起了人们的广泛关注，因为它可以通过结合ZnO和其他功能材料的物理特性而提升多种性能。
与ZnO结合的材料包括金属、金属氧化物和金属硫化物等，特别是与ZnO形成异质结构的材料尤其受到人们的关注[2]。
ZnO天生存在较多氧缺陷，而CuO 材料是具有约1.2eV的窄带隙的p型半导体，具有富氧的特性。
因此，CuO和ZnO的电荷载流子差异激发了这两种材料结合的可能性。
实际上很多不同的CuO-ZnO异质结构已经被发现，比如CuO-ZnO薄膜、纳米线等。
这些材料在传感、光催化降解污染物等方面有着很大的应用潜力[3]。
实验证明，CuO和ZnO可以形成直接稳定的p-n异质结，可以产生光生电子空穴对[4]。
《Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料的制备及性能研究》范文
《Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料的制备及性能研究》篇一摘要：本文重点研究了Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料的制备工艺及其性能。
通过不同的制备方法，我们成功合成了这两种复合材料，并对其结构、形貌以及物理化学性能进行了详细分析。
结果表明，制备的复合材料具有优异的电学性能和热稳定性，在诸多领域具有潜在的应用价值。
一、引言随着材料科学的发展，复合材料因其优异的性能在众多领域得到了广泛应用。
Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料作为新型的功能性材料，在电子、磁性材料、催化剂以及高温超导等领域具有广阔的应用前景。
因此，研究这两种复合材料的制备工艺及其性能具有重要的科学意义和应用价值。
二、制备方法1. 材料选择与准备选择高纯度的Cu粉、Y2O3和Gd2O3作为原料。
将原料进行预处理，包括干燥、研磨和过筛，以获得粒度均匀的粉末。
2. 制备过程采用高温固相反应法，在特定的温度和气氛下，将Cu粉与Y2O3或Gd2O3进行混合并烧结，制备出Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料。
三、性能研究1. 结构分析利用X射线衍射（XRD）技术对制备的复合材料进行物相分析，确定其晶体结构和相组成。
通过扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的形貌和微观结构。
2. 电学性能测试对复合材料进行电导率、电阻率等电学性能测试，分析其电学性能的变化规律。
3. 热稳定性测试通过高温烧结实验，观察复合材料在高温下的热稳定性，分析其抗热老化性能。
四、结果与讨论1. 结构分析结果XRD分析结果表明，制备的Cu-Y2O3和Cu-Gd2O3复合材料具有明确的晶体结构和相组成。
SEM观察显示，复合材料具有均匀的形貌和微观结构。
2. 电学性能分析电学性能测试结果表明，复合材料具有较高的电导率和较低的电阻率，表现出良好的电学性能。
此外，我们还发现复合材料的电学性能随Y2O3或Gd2O3含量的变化而变化，表明复合材料的电学性能可通过调整组分比例进行调控。
《MOFs衍生过渡金属单原子催化剂的制备及氧还原性能研究》范文
《MOFs衍生过渡金属单原子催化剂的制备及氧还原性能研究》篇一一、引言随着能源危机和环境污染问题的日益严重，寻找高效、环保的能源转换和存储技术已成为科研领域的重要课题。
过渡金属单原子催化剂（SACs）因其具有高活性、高选择性及高稳定性等优点，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。
而金属有机框架（MOFs）材料因具有多孔结构、高比表面积及可调的化学性质，被广泛用于制备单原子催化剂。
本文旨在研究MOFs衍生过渡金属单原子催化剂的制备方法及其在氧还原反应（ORR）中的性能。
二、MOFs衍生过渡金属单原子催化剂的制备1. 材料选择与合成本研究所选用的MOFs材料为ZIF-67（钴基金属有机框架）。
首先，通过溶剂热法合成ZIF-67纳米晶体。
随后，将ZIF-67与过渡金属盐进行复合，通过高温煅烧，使MOFs材料衍生为含有单分散过渡金属原子的碳基催化剂。
2. 制备过程（1）ZIF-67的合成：在溶剂热条件下，以2-甲基咪唑和钴盐为原料，合成ZIF-67纳米晶体。
（2）复合过渡金属盐：将ZIF-67与过渡金属盐（如铁盐、钴盐等）混合，使过渡金属离子负载在MOFs上。
（3）高温煅烧：将负载有过渡金属离子的ZIF-67在惰性气氛下进行高温煅烧，使MOFs材料衍生为碳基催化剂，同时使过渡金属原子单分散地负载在碳基底上。
三、氧还原性能研究1. 氧还原反应（ORR）机理氧还原反应是燃料电池和金属空气电池等能源转换装置中的关键反应。
本研究通过探究MOFs衍生过渡金属单原子催化剂在ORR中的反应机理，评价其催化性能。
2. 实验方法与结果（1）电化学测试：利用循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）对催化剂进行电化学测试，评估其ORR性能。
（2）结果分析：通过对比不同催化剂的CV和LSV曲线，发现MOFs衍生过渡金属单原子催化剂具有较高的催化活性、良好的选择性和稳定性。
其中，铁基和钴基催化剂在ORR中表现出优异的性能。
四、讨论与展望1. 制备方法优化通过调整MOFs材料的种类、过渡金属离子的负载量以及煅烧温度等参数，可以进一步优化催化剂的制备方法，提高其催化性能。
过渡金属-氧化锌复合材料光催化性能研究新进展
过渡金属-氧化锌复合材料光催化性能研究新进展孙德武;曹爽;丁田田;付祥雪;翟宏菊【摘要】目前环境污染是人们亟待解决的问题之一,水体中的染料导致水污染,并造成水体缺氧,影响水生生物和微生物生长、同时染料毒性较大存在重金属积累.若能通过光催化降解染料废水并同时获取氢气,将实现资源的绿色发展及持续利用.目前光催化剂主要有TiO2,ZnO,MoS2,WO3等金属氧化物半导体,虽然这些半导体材料成本低廉,稳定性好,但是对可见光的利用率低,若将过渡金属与ZnO等材料复合,将会提高对光的利用率.阐述了最近几年间过渡金属-半导体复合材料的制备方法及其光催化性能研究进展.【期刊名称】《吉林师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】3页(P110-112)【关键词】过渡金属;ZnO;复合材料;光催化【作者】孙德武;曹爽;丁田田;付祥雪;翟宏菊【作者单位】吉林师范大学化学学院,吉林四平136000;吉林师范大学化学学院,吉林四平136000;吉林师范大学化学学院,吉林四平136000;吉林师范大学化学学院,吉林四平136000;吉林师范大学化学学院,吉林四平136000【正文语种】中文【中图分类】TN304;O614.122随着社会的进步和科技的发展，人们目前面临着能源短缺和环境污染两大紧迫又棘手的问题，为改善现实状况，研制清洁、可再生新能源的任务非常艰巨.利用光催化降解可以缓解这一棘手问题，它是利用辐射、光催化剂在反应体系中产生的活性极强的自由基与有机污染物之间的加合、取代、电子转移等过程将污染物全部降解为无机物的过程.ZnO是一种重要的、宽禁带的六方纤锌矿结构的半导体材料，它在室温下Eg=3.37 eV，并且电子迁移率较高，在室温下可以表现出优异的光敏性，同时ZnO来源丰富，价格低廉，又是具有很好的导电性、导热性和化学稳定性的环境友好型材料[1-2]，研究人士利用过渡金属与金属半导体掺杂形成的复合材料做催化剂，过渡金属掺杂ZnO可实现带隙调控、扩大光谱响应范围[3-4]，促进电子-空穴的分离效率，增强对可见光的俘获，提高催化剂对光的利用率[5-9]，本文综述了过渡金属掺杂的ZnO复合结构的制备及其光催化降解染料性能.ZnO是一种晶体结构，其常用的制备方法有：化学固相法，化学沉积法，微乳液法，溶液—凝胶法，水热法等[10].在制备ZnO材料的过程中有许多关键性的问题，如控制样品形状和大小及样品表面的改性和结构等，材料结构决定了他们的性质不同，进而有不同的用途.2.1 Ag-ZnO复合材料的制备及其光催化性能贾志刚等人利用沉淀法制备出Ag-ZnO复合催化材料，利用发射扫描电镜，透射电子显微镜和分光光度计对样品进行表征[11].结果表明：Ag-ZnO光催化活性与焙烧温度、升温速率和焙烧时间等因素有关，降低升温速度及延长焙烧时间均有利于提高Ag-ZnO的光催化活性.伍明通过BCAH方法合成了Ag2O-ZnO半导体复合材料，发现Ag2O-ZnO有较好的光催化活性[12].对制得的复合材料进行光催化降解罗丹明(RhB)实验表明：Ag2O-ZnO复合材料催化罗丹明(RhB)比单一的ZnO 或Ag2O催化罗丹明(RhB)催化效果更好，比普通Ag2O催化剂可见光的光催化效率提升了1倍.2.2 Fe-ZnO复合材料的制备及其光催化性能2011年，Dong等人利用溶液-凝胶法-沉淀法得到晶体[13]，通过紫外-可见漫反射光谱仪对样品进行了表征，结果显示，在波长400～600 nm的可见光区，Fe-ZnO的吸光强度最强，其光催化活性可能最好.2013年Ba-Abbad等人利用溶液-凝胶法，煅烧得到Fe-ZnO复合材料[14]，并用于降解罗丹明，结果显示，在不加入任何催化剂的情况下，有极少数RhB发生自降解，相同情况下，只添加ZnO做催化剂，RhB的降解率可以达到92.6%，而加入Fe3O4-ZnO复合材料做催化剂，RhB的降解率高达99.3%.由此可知，Fe3O4的掺杂可以大大提高ZnO的光催化效率.2.3 Cu-ZnO复合材料的制备及其光催化性能2012年Amornpitoksuk等利用溶液-凝胶法，以乙酸锌，乙酸铜为溶质，异丙醇为溶剂，再加入乙醇胺作为稳定剂，制得乙酸锌铜溶胶，在通过浸渍-提取法将乙酸锌铜溶胶均匀地涂抹在玻璃基层上，经熟化，干燥，煅烧得到Cu-ZnO晶体[15].对染料刃天青的降解实验表明，当Cu/ZnO的值为0.05时，催化降解效果最好，当紫外光照射25 min后，刃天青染料的降解率可达90%，主要因为掺入的Cu使ZnO表面产生更多的缺陷，这些缺陷有利于降低光生电子-空穴对的复合几率，进一步提高ZnO的光催化活性.2.4 Mn-ZnO复合材料的制备及其及光催化性能Kang等采用溶剂热法煅烧后制备了Mn-ZnO纳米棒复合材料[16]，研究表明，当在ZnO中掺入Mn2+，ZnO的禁带中引入杂质能级，这种杂质能级可以使其在400～800 nm 可见光区的吸收强度增强，同时在光催化过程中存在Mn2+-Mn3+之间的转换，这种转换延长了光生载流子的存活时间，并随着掺杂Mn2+浓度的增加，ZnO的光催化活性发生明显提高.2.5 Ni-ZnO复合材料的制备及其及光催化性能2013年，Cai等人通过低温水浴法，得到了Ni-ZnO半导体复合材料[17]，掺杂Ni的ZnO样品的带隙明显变窄，在紫外光区的光吸收强度增强，在波长为550～800 nm可见光区有弱吸收，在紫外光照射下，降解罗丹明B的效果比纯ZnO的光催化效率要好，当掺杂Ni的物质的量浓度为10%时效果最佳，光照210 min 后，对罗丹明B的降解率可达到92.2%.2.6 Cu-Al共掺杂ZnO复合材料的制备及光催化活性谭红琳等采用溶液-凝胶法制备Cu-Al共掺杂ZnO复合材料[18]，经不断改变Cu 和Al的掺杂配比可知，Cu、Al掺杂浓度分别为1%和0.3%时，Cu-Al共掺杂ZnO复合材料透光率最大，预期光催化活性最好.2.7 Ni-Th 共掺杂 ZnO复合材料的制备及光催化活性Suganthi 等人以硫酸锌、硫酸钍、硫酸镍为原料，再加入碳酸氢钠溶液作为沉淀剂，利用共沉淀的制备方法获得了具有光催化性能的Ni-Th共掺杂ZnO半导体复合材料[19]，先是得到不稳定的Ni-Th/Zn的碳酸氢盐沉淀，经烘干，煅烧后得到Ni-Th/ZnO半导体复合材料.其光催化机理是Ni和Th协同作用，在可见光照射下，Ni2+的存在会促进电子从ZnO价带上跃迁到导带或者从价带跃迁到杂质能级上，掺杂在ZnO中的 Th4+能够捕获光生电子或空穴并将他们传递给氧或羟基离子，形成超氧自由基和羟基，有效抑制了ZnO电子-空穴的复合，提高太阳能的利用率，因此，Ni-Th/ZnO 复合材料的光催化活性大大提高.为解决能源短缺和环境污染等棘手问题，利用半导体降解染料效率目前还较低，还不能投入到工业生产和生活应用中，为了使这一项研究应用到生产中，可以从以下几个方面进行研究：(1)尝试改变掺杂的离子种类或者多种离子同时与ZnO进行掺杂，引入多个杂质能级，扩大光吸收范围，增强催化剂对可见光的吸收.(2)参照植物光合作用和太阳能电池板的机理，进行学科间交叉研究，为太阳能光催化制氢提供更多的理论基础和研究方向.(3)通过不同制备方法获取不同形貌的ZnO晶体，可能会提高ZnO的光催化活性.此外，要想把太阳能催化制氢这一技术应用到工业生产中，还要综合各学科，各种技术联合攻关，共同努力，开辟研究新思路，建立研究新手段，着眼研究新方向，才能更好地为人类带来经济效益，环境效益.【相关文献】[1]CHAKRABARTI S，DUTTA B K.Photocatalytic degradation of model textile dyes in wastewater using ZnO as semiconductor catalyst [J].Journal of hazardous Materials 2004，112：269-278.[2]PASTERNAK S，PAZ Y.On the similarity and dissimilarity between photocatalytic water splitting and photocatalytic degradation of 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多孔金属/过渡金属氧化物复合材料的制备及电化学性能研究基于自身独特的物理化学性能,以自然界储量丰富、可调控的微/纳结构形态为优点的过渡金属氧化物材料一直以来受到众多科研者的青睐,且在环境和能源领域有着广阔的应用前景,可用于超级电容器、电化学传感器和光催化等等。
但是,过渡金属氧化物有导电性差、低的离子传输动力学、差的结构稳定性等缺点,限制了其应用。
因此,设计高性能的过渡金属氧化物电极结构己成为非常紧迫的任务。
本论文以多孔金属为基,采用等离子体处理、原子层沉积、电化学沉积以及金属有机骨架化合物热分解等不同的方法制备出各类过渡金属氧化物复合电极,并研究了它们在超级电容器、生物传感器及水氧化反应方面的性能。
这对于阐明材料的微/纳结构与性能之间的关系,以及进一步拓宽过渡金属氧化物的应用范围具有重要的意义。
针对以上问题,本论文的主要内容是基于多孔金属和过渡金属氧化物纳米复合材料构筑高性能电化学电极的创新性研究,主要涵盖的工作有:(1)采用水热合成、热退火及等离子体处理的方法制备出多级多孔的Ni/NiO 核壳结构,并且对样品进行了形貌表征及电化学性能测试。
该核壳结构是由高导电性且相互连通的Ni骨架内核以及均匀覆盖其表面的NiO壳层组成,其在超级电容器和生物传感器方面表现出优异的电化学性能。
作为赝电容电极材料,该电极表现出高达255 mF cm-2的面积电容。
同时,该电极还表现出对葡萄糖电氧化的高催化活性,灵敏度为4.49 mA mM-1 cm-2,检测限为10 mM。
此外,分层多级的孔径增强了电解质和离子在互连的多孔通道内的快速扩散及传输,这主要体现
在4000个循环的优异稳定性方面以及对葡萄糖短至1.5 s的电流快速响应。
分层多级多孔金属/金属氧化物核壳结构这些概念也为能量存储和电化学催化领域设计高性能电极材料开辟了新的途径。
(2)通过使用原子层沉积的方法在纳米多孔金(NPG)膜的骨架表面上包覆一层超薄的CoO壳层制备柔性的电化学传感电极,并且对样品进行了形貌表征及电化学性能测试。
NPG/CoO复合电极不仅实现了对葡萄糖氧化和H202还原的高催化活性,而且表现出在葡萄糖和H202分子浓度检测中良好的线性关系。
此外,该电极用于H202传感器时的灵敏度可高达62.5 μA mM-1 cm-2且其线性关系保持在0.1-92.9 mM的浓度范围内。
该电极表现出的优异电催化性能主要是由于Au和CoO在界面处的协同效应以及具有高导电性和大比表面积的多孔金骨架的贡献。
(3)通过采用微米级的划刻技术将纳米多孔金薄膜加工成交叉指形的平面微集流体,这种高离子传输的纳米多孔通道和高电导率的相互连通纳米金骨架可设计出高性能的微型赝电容器。
因此,这些制备出的微电容器件显示一系列优异的电容特性,包括超快充放电(高倍
率性能)、高的比电容(1.27mFcm-2,127 F cm-3)以及在保持高功率密度(22.21 W cm-3)的同时还能取得高能量密度(0.045 Wh cm-3)。
特别是,优异的循环稳定性和机械柔韧性给他们在未来微型电子学的应用提供了巨大潜力。
这种设计概念也为将平面型超级电容器集成到大规模制备的微型化器件中提供了一种新途径。
(4)通过在Ar和空气中退火处理水热合成的金属有机骨架化合物(Co-MOF)可得到多孔的
Co304/C纳米线阵列(NAs)。
在电化学储能方面,Co3O4/C NAs在1 mA
cm-2的电流密度下表现出1.32 F cm-2的高比面积电容,这远远优于纯的Co304 NA。
基于Co304/CNAs的对称超级电容器表现出高的循环稳定性,5000次循环后仅有21.7%的电容衰减。
此外,Co3O4/C NAs还表现出对氧析出反应的高电化学催化活性,即30 mA cm-2的高电流密度下的低过电位(η30 = 318mV)和较小的Tafel斜率(81mVdec-1)。
此种复合电极结构内掺杂碳的高导电性和加快离子扩散的分层多级孔道是提高其赝电容特性和增强催化活性的重要原因。
本工作中提到的合成策略为能量存储和电化学催化领域中高性能电极的设计提供了新的思路。