电化学能源器件原位信号探测及反应机制研究

摘要

本文围绕电化学原位测试技术，按照从材料晶体结构、电子结构到表面状态的研究思路，探索和推进电化学原位表征技术，研究电化学原位二维 XRD，单根/片纳米储能器件和多物理场调控下的单根/片纳米催化器件，并将其应用于现有电化学体系中，取得了一些有意义的研究结果： (1)电化学原位二维XRD 装配并利用高低温电化学原位二维XRD，捕捉到了Na0.76V6O15在充放电过程中的自由氧的形成过程，通过控制电位区间，使得其循环性能提高三倍以上。随后，我们对 LiFePO4不同温度下的电化学反应路径进行了研究。发现，在常温状态下 LiFePO4具有 b轴方向的快速锂离子通道；然而在低温条件下，这一通道略微收缩，导致锂离子难以通过，此时由电化学动力学控制的固溶反应发生，对电池容量起到一定的补偿作用。 (2)单根/片纳米储能器件 采用微纳器件技术，构筑了单根MnO2场效应电化学储能器件，并在一根纳米线的尺度上对其电化学性能及电场响应进行了研究。实验结果表明，逐步提高背栅电压，MnO2纳米线容量逐渐增加，当的背栅电压为3 V时，表观离子输运速度提升10倍，MnO2纳米线容量提升4.7倍。但进一步增加背栅电压，其容量并不继续增加。结合实验与理论计算，证明背栅电压大幅提高了材料的表面离子浓度和离子输运速度，提高了电化学动力学反应过程，导致材料容量增加。这一结论进一步在MoS2纳米片和K0.51V2O5纳米线中得到了验证。 (3)单根/片纳米催化器件 将电场效应推广至电催化领域，通过调控背栅电压，诱导溶液本体离子重排，改变界面双电层状态和催化材料电输运性能，可以大幅提升电极材料的催化特性。对于本征的VSe2纳米片，通过加背栅电压，其催化起始电位从~-175 mV优化至~-95 mV。进一步的电化学交流阻抗谱测试发现，电荷转移电阻Rct从1.03MΩ下降到0.15MΩ。将这一思路延伸，我们利用MoS2的光电效应探究了电极材料表面载流子浓度对催化性能的影响，并探索了溶解氧对石墨烯/Ni电催化产氢器件性能的作用机制，揭示了电解液溶解氧对活性离子基团的屏蔽效应。

目录

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2电化学器件原位表征方法

1.3 X射线技术在电化学原位表征中的应用

1.4单根器件技术在电化学原位表征中的应用

1.5本文选题意义与主要研究内容

第2章锂离子电池原位电化学二维XRD研究

2.1引言

2.2 Na0.76V6O15原位电化学二维XRD研究

2.3原位电化学二维XRD捕捉LiFePO4介稳相

2.4本章小结

第3章电场原位调控单根/片纳米储能器件

3.1引言

3.2单根MnO2场效应电化学储能器件

3.3单片MoS2场效应电化学储能器件

3.4单根K0.51V2O5多场耦合锂离子电池

3.5本章小结

第4章多物理场原位调控单根/片纳米催化器件

4.1引言

4.2单片VSe2场效应电催化产氢器件

4.3单片MoS2光电催化产氢器件

4.4单片石墨烯/Ni电催化产氧器件

4.5本章小结

第5章结论

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录1博士学习期间已发表和即将发表的论文

附录2博士学习期间主持和参加的科研项目

附录3博士学习期间参加的学术会议

致谢