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《中国科学技术大学》 2019年
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功能钼钴基纳米材料的制备及其在电化学领域中的应用

朱晓青  
【摘要】:纳米材料作为一种新兴的研究领域已经受到了越来越多的关注,这主要是因为它不仅具有独特的光电磁热等性质,并且可以通过组成和结构的设计对其物理化学性质进行调控。这种特点使得纳米材料的应用非常广泛。随着对纳米材料研究的深入,电化学领域的发展也迎来了新的机遇。然而,如何有目的性的设计制备具有一定功能的纳米材料依然是目前的一个很大的挑战。本论文主要立足于纳米材料在电化学领域中的应用,从功能钼钴基纳米材料的设计与可控制备出发,开展了如下几方面的工作:(1)通过选用性能优异的载体提高发光体的发光效率。作为一种电化学发光体,luminol在溶液相中通常会具有发光效率低的缺点,使得其应用受到了很大的限制。而纳米材料通常具有比表面积大,导电性能好等优点。所以利用纳米材料对luminol分子进行富集和固定是解决这一问题非常有效的途径。我们采用了 一种由二维片层堆叠形成的Mo2C纳米管作为载体,通过负载luminol修饰的AuNPs制备了 一种高效的电化学发光探针。在这里Mo2C纳米管较大的比表面积以及优异的导电性能,再加上AuNPs的催化作用和富集作用,使得luminol的发光效率得到了很大的提升。实验结果表明,最终得到的纳米复合材料比初始的luminol-AuNPs的发光效率提高了六倍。将其用于免疫传感器的构建取得了良好的检测效果。(2)通过引入异质界面促进材料的HER性能。理论计算结果表明,Mo2C具有与Pt类似的d带状态。但是目前利用普通方法得到的Mo2C纳米材料与商业Pt/C依然有一定差距。基于此,我们采用Mo-polymelamine作为前驱体,通过高温裂解制备了一种以Mo/Mo2C为核,以超薄碳层为壳的一维核壳纳米复合材料。由于大量Mo/Mo2C异质界面的引入,再加上碳壳层的电子通道作用,使得该材料在碱性条件下表现出优异的HER催化性能,并且当电流密度超过46.5 mA cm-2时,其性能甚至超过了商业Pt/C。密度泛函理论计算结果表明,电活性较高的界面区域对于提高HER催化性能起到了关键作用。这种引入界面的方法也为其他高活性HER催化剂的设计提供了一种有效的途径。(3)利用缺陷工程作为调控催化剂OER性能的有效手段。缺陷的引入通常可以调节材料的电子结构,同时也有利于暴露更多的活性位点,是提高材料OER催化活性的一种非常有效的方法。我们利用简单的一步水热法,通过控制投料比例,制备了一种性能优异的OER催化剂。对材料的结构分析表明,投料的比例不仅对材料的形貌有很大的影响,同时对材料内部的氧空位也进行了有效地调控。最终得到的Co1M0.6O/NF纳米六棱柱具有最高的氧空位含量及Co2+/Co3+比例,表现出最优异的OER性能,达到10 mA cm-2的电流密度只需要198 mV的过电位,性能远远超过了商业的RuO2。另外,我们通过溶解-再生成的策略,在泡沫镍上制备了一种缺陷丰富的Co(OH)2纳米片。研究发现,通过水热法制备的CoMo06纳米棒易与碱液反应,Co(OH)2再生的过程中形成了晶格不完善的纳米结构,从而使得Co(OH)2的导电性和催化活性明显增加。这一方法为制备缺陷丰富的纳米材料提供了一种有效的途径。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.1;O646

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