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层状双羟基复合金属氧化物及其薄膜的制备与性能研究

王毅  
【摘要】: 本论文以发展层状双羟基复合金属氧化物(LDHs)电化学功能材料为目标,采用多种技术手段制备了一系列LDHs纳米粉体及LDHs基纳米结构薄膜。采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、热重-质谱联用(TG-MS)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、扫描隧道显微镜(STM)和电化学测试等表征手段对合成产物组成结构、电极反应机理以及材料组成结构与电化学性能之间的关系进行了较深入的研究。主要研究工作和结论如下: 1、采用成核晶化隔离法制备了粒径分布均一的不同Co/Al比的碳酸根插层Co-Al LDHs。系统研究了焙烧处理温度和Co/Al比对其组成、微观形貌、比表面积、晶体结构和电化学性能的影响。Co/Al比为2的Co-Al LDHs在160℃焙烧处理后仍能保持层状结构,且Co电化学活性位得到充分暴露。其比电容达684 F·g~(-1),并具有良好的倍率特性和电化学循环稳定性。这种材料在超级电容器电极材料中具有应用价值。 2、采用电泳沉积技术制备了Mg-Al LDHs薄膜。将Mg-Al LDHs纳米颗粒分散在无水乙腈中制备悬浮液,在直流电场作用下,表面带有正电荷的Mg-Al LDHs纳米颗粒将向氧化铟锡导电玻璃(ITO)阴极定向迁移并沉积形成Mg-Al LDHs薄膜。系统考察了电泳沉积时间和电压以及悬浮液浓度对薄膜沉积量和微观形貌的影响。在相同浓度的悬浮液和相同沉积时间内,薄膜沉积量随施加电压的增大而增大;在相同电压条件下,薄膜沉积量随沉积时间的延长而增大;而在相同沉积电压和时间下,薄膜沉积量随悬浮液浓度的增大而线性增大。 3、采用电泳沉积技术制备了Co-Al LDHs/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合薄膜。将表面带有正电荷的Co-Al LDHs纳米颗粒和表面带有负电荷的MWCNTs分散在无水乙腈中后,由于二者之间的静电自组装将形成带有正电荷的Co-Al LDHs/MWCNTs复合颗粒。在直流电场作用下,向ITO阴极定向迁移并沉积形成Co-AlLDHs/MWCNTs复合薄膜。得益于MWCNTs的加入,该复合薄膜的倍率特性和电化学循环稳定性明显得到改善。 4、采用电泳沉积技术,利用Zn-Al LDHs纳米片作为构建模块,在ITO基片上制备了Zn-Al LDHs纳米球薄膜。薄膜形貌可以通过控制沉积时间加以调控。进一步的焙烧处理可以制备Zn-Al复合金属氧化物(MMO)纳米球薄膜。形成这种纳米球结构的原因是在电泳沉积过程中,作为剥层溶剂的甲酰胺会发生电解反应生成类金刚石(DLC)前体,Zn-Al LDHs纳米片以其为晶核组装成纳米球。 5、采用溶剂蒸发法,以具有电化学活性的LDHs纳米片作为构建模块,在ITO基片上制备了连续高取向的LDHs纳米片薄膜电极材料。系统研究了Al含量、薄膜厚度和焙烧处理温度对Co-Al LDHs纳米片薄膜电极材料电化学性能的影响。Co/Al比为3的薄膜电极材料比电容高达2500 F·cm~(-3)(833 F·g~(-1)),且具有好的倍率特性和优异的循环稳定性,是一类高性能薄膜超级电容器电极材料。通过对Ni-AlLDHs纳米片薄膜电极材料的电化学性能研究发现,该薄膜电极材料的电极反应受质子扩散控制,其质子扩散系数高(1.92×10~(-9) cm~2·s~(-1))。按Ni计算其比容量达660 mAh·g~(-1),且具有好的倍率特性和循环稳定性,是一类高功率型Ni-MH电池电极材料。


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