二维超薄金属氧化物纳米材料的仿生制备及其电化学性能研究

摘要

高度有序的等级结构导致了生物矿物具有优异的性能，因此，通过模仿生物矿化过程来制备功能材料已成为近年来的研究热点。研究发现，生物体内的有机物大分子或者其组装体表面具有丰富有序的带电荷官能团，可以诱导生物矿物的成核和定向生长，对生物矿物的形状、结构和性质起着决定性的作用。带电荷的二维超薄纳米材料可以看成有机物大分子或超分子聚合物组装体类似物，由于其表面具有特殊的电子属性，可以被用来诱导制备各种功能材料。基于此，本文以生物矿化基本理论为指导，选取表面电荷可控的CuO纳米片为模板和诱导剂，制备了锡掺杂超薄赤铁矿/氧化铜复合纳米材料，并探索了诱导产物的电催化CO2还原性能和锂离子电池负极性能。取得的主要结果如下:
　　1.建立了一种以PVP稳定的CuO纳米片为模板和诱导剂制备复合功能材料的合成体系，成功制备了锡掺杂超薄赤铁矿/氧化铜复合纳米材料，除去CuO后得到二维超薄锡掺杂赤铁矿纳米片(Sn-Fe2O3UNSs)。在此过程中，CuO表面的PVP分子对产物的成核和生长有重要影响。此外，通过一系列时间实验，我们详细阐述了Sn-Fe2O3UNSs的形成机理。这种利用纳米片表面电荷诱导制备二维超薄金属氧化物复合纳米片的方法可以拓展至其他无机复合纳米材料的可控合成，也为更深刻的理解生物矿化过程提供了宝贵的线索。
　　2.系统研究了Sn-Fe2O3UNSs在电催化CO2还原和锂离子电池负极领域的应用。当使用碳酸氢钠溶液作为电解液时，Sn-Fe2O3UNSs在-1.3Vvs SCE下的电流密度为25mA/cm2，甲醇法拉第效率高达91.87％。同时在锂离子电池负极的测试中，Sn-Fe2O3UNSs在100mA/g电流密度下充放电循环100次后，其比电容达到1089.7mAh/g，在2000mA/g大电流密度下充放电，比电容可达540.6mAh/g。此工作以Sn原子掺杂的超薄纳米片作为模型揭示了单原子Sn掺杂对于电催化CO2还原和锂离子电池性能的影响。

目录

声明

摘要

第一章 基于无机二维超薄材料的仿生矿化合成的研究进展

1．1 引言

1．2 仿生矿化合成的研究进展

1．3 二维超薄纳米材料的研究历史及现状

1．4 二维超薄材料在能源转换领域的研究进展

1．4．1 二维超薄材料在电催化CO2还原领域的应用

1．4．2 二维超薄材料在锂离子电池领域的应用

1．5 本论文的选题背景、研究内容及研究意义

参考文献

第二章 超薄锡掺杂赤铁矿纳米片的仿生制备及电催化CO2还原性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料来源

2．2．2 实验方法

2．2．3 样品表征

2．2．4 电催化性能表征

2．2．5 FT-IR表征

2．2．6 理论计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 原料氧化铜纳米片的合成与表征

2．3．2 Sn-Fe2O3 UNSs的合成及生长机理研究

2．3．3 Sn-Fe2O3 UNSs电催化CO2还原性质的研究

2．3．4 Sn-Fe2O3 NSs电化学表征机理的研究

2．3．5 本章小结

参考文献

第三章 超薄锡掺杂赤铁矿纳米片在锂离子电池负极中的应用研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 电池负极极片的制备

3．2．3 电池的组装与测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 Sn-Fe2O3 UNSs锂离子电池循环性能测试

3．3．2 Sn-Fe2O3 UNSs锂离子电池交流阻抗测试

3．4 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果