过渡金属氧化物空心结构和磷化物核壳结构的设计及其高效储能研究

摘要

能源的开发研究一直以来是备受关注的话题，尤其是可再生的清洁能源。本课题主要采用水热合成方法，成功地制备出了 Co3O4@Al2O3纳米片复合材料和Fe2P/GC核壳八面体复合材料，并通过一系列的测试手段对样品的形貌、成分及性能进行了表征和评估。这两种材料分别在锂离子电池（LIBs）和电化学析氢（HER）方面表现出色。由于样品是以前驱物为模板，使得煅烧之后两种产物的形貌结构都继承了前驱物的外貌特征，从而获得了结构新颖、性能优良的复合材料。
　　本研究首先采用水热法合成了Co6Al2CO3(OH)16.4H2O纳米片，以之为前驱物及模板，在氢气下煅烧，得到 Al2O3包裹单质 Co纳米颗粒的纳米片（Co@Al2O3纳米片），再通过马弗炉氧化，成功地合成了均匀的超薄 Al2O3纳米片包裹 Co3O4空心纳米球的复合材料（Co3O4@Al2O3纳米片），并且保持了前驱物的六边形纳米片形貌。这里相对惰性的Al2O3纳米片作为活性成分Co3O4纳米空球的支撑框架，使材料的结构更加稳固。这种新颖的结构设计使该材料具有超高的比表面积和卓越的电化学性能。在将其组装成锂离子电池的测试中，Co3O4@Al2O3复合材料在电流密度为0.1 A/g时的可逆容量高达1278 mAh/g，并且该材料的库仑效率接近99％。因此，这种Co3O4@Al2O3纳米片展现了超高的可逆容量和耐用的循环稳定性，在锂离子电池的应用上具有非常良好的前景。此外，合成了八面体的超薄石墨碳外壳包裹Fe2P颗粒的复合材料。首先，通过水热法成功地制备了含碳聚合物外壳包裹 Fe2PO5晶体的八面体颗粒（Fe2PO5/C）。然后，用这种前驱物作为模板，在管式炉还原煅烧得到内部为Fe2P颗粒，外部为超薄的石墨碳壳的中空核壳结构复合材料（Fe2P/GC），并且碳壳保持着前驱物的八面体外貌。这种中空核壳结构使活性材料达到均匀分散的状态，碳壳的隔离使材料不容易团聚，能够有效控制材料在电化学反应过程中的体积膨胀。Fe2P/GC核壳八面体被作为HER催化剂时，表现出优异的催化活性。在0.5 mol/L的H2SO4溶液中进行电解水制氢时，达到10mA/cm2的电流密度时需要的过电位仅为76mV。另外，该Fe2P/GC核壳八面体材料也被用于LIBs负极储能。电化学测试数据显示，该材料做电池时的可逆容量约为627mAh/g，并且库仑效率接近100%。因此，Fe2P/GC核壳八面体材料不管是在LIBs领域还是HER领域都有非常良好的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 电解水制氢研究现状

1.4 水热合成法概述

1.5 本课题设计思路

2 Al2O3纳米片包裹Co3O4空心纳米球的材料制备及锂离子电池应用

2.1 引言

2.2 药品及仪器

2.3 实验方法

2.4 实验结果与讨论

2.5 本章小结

3 超薄碳包裹Fe2P颗粒的中空核壳结构的制备及电化学应用

3.1 引言

3.2 药品及仪器

3.3 实验方法

3.4 实验结果与讨论

3.5 Fe2P/GC核壳八面体作HER催化剂测试

3.6 Fe2P/GC核壳八面体作LIBs负极测试

3.7 本章小结

4 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间主要成果