面向车用电容器和汽车尾气处理的Bi系纳米材料的制备和性能研究

摘要

全球汽车数量逐年增加，加剧了国民经济对化石类能源的依赖和汽车尾气的排放进而造成严重的环境污染。因此开发新能源以及有效处理汽车尾气是可持续发展的必由之路。其中以电力驱动的电动汽车相比内燃机汽车而言，不产生污染，对环境十分有利，而且电动机产生的噪音较小，对人体伤害小，其发展的关键之一是能量的存储。超级电容器作为新一代储能元件，具有高功率密度，高倍率充放电性能以及长循环寿命，因此具有很大的潜在应用价值。在汽车尾气处理技术中，光催化技术能够充分利用太阳能降解NO，避免产生光化学烟雾、酸雨等一些重大环境污染。铋系材料具有较高的电化学稳定性，较高的氧化还原可逆性，良好的光催化活性和独特的电子/能带结构而同时具有电化学和光催化性能，因此受到广泛关注。
　　本文以铋系为基础的条件下，通过与不同材料的复合，分别研究其电化学和光催化性能。通过X射线衍射仪（XRD）、光电子能谱仪（XPS）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB/SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及热重分析（TGA）等对样品进行了晶体结构、化学价态、形貌特征和样品成分等的分析。采用恒电流充放电法，循环伏安法和交流阻抗法对所得的复合材料的电化学性能进行研究，采用UV-vis DRS，PL以及空气中NO的去除率等对复合材料的光催化性能进行研究。主要研究内容及结论如下：
　　通过合理调节柠檬酸铋和碳酸钠的量，制备形貌均匀的(BiO)2CO3纳米花。并通过与高锰酸钾的水热反应制备(BiO)2CO3@MnO2纳米复合材料，超薄的MnO2纳米片负载于(BiO)2CO3表面，形成核壳结构。并研究了该复合材料的电化学性能。结果表明，(BiO)2CO3@MnO2的比电容可达到196.0 F g-1，同时具有良好的循环性能（循环1000次保留125％）。
　　通过在特定条件下锻烧(BiO)2CO3获得 Bi2O3，同样和高锰酸钾反应制备Bi2O3@MnO2纳米复合材料。该复合材料中负载的MnO2量明显减少。研究其电化学性能发现，Bi2O3@MnO2的比电容最高为139.4 F g-1，循环性能较好（循环1000次保留112%）。但是和(BiO)2CO3@MnO2纳米复合材料的电化学性能相比，该产物的性能略差。
　　通过溶剂热法制备Ni掺杂的δ-Bi2O3，通过调节反应物中泡沫镍的加入量，可以获得不同Ni含量的复合产物，分别标记为纯Bi2O3，Ni-Bi2O3-2和Ni-Bi2O3-5.该复合材料首先形成板状的前驱体，然后逐渐消耗变为球状。Ni的加入不仅使产物的导电性提高，而且使产物具有介孔结构，使其比表面积增加，有利于光催化本文为铋系纳米材料的制备，复合以及电化学和光催化性能研究提供了新的思路，也为铋系纳米材料的进一步发展和实际应用奠定了基础。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 超级电容器的概述

1.3 光催化的概述

1.4 超级电容器中铋系材料的研究现状及存在问题

1.5 光催化中铋系材料的研究现状及存在问题

1.6 选题依据及主要研究内容

2 实验方法与测试原理

2.1 实验材料与仪器

2.2 材料的表征和测试

2.3 电化学性能测试

2.4 光催化测试

3 (BiO)2CO3@MnO2复合材料的制备及电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 Bi2O3@MnO2复合材料的制备及电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 Ni-Bi2O3 纳米复合材料的制备及光催化性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士期间发表论文

B. 攻读硕士期间所获奖项