钴基氧化物介孔纳米管的自模板法制备及其电化学性能研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第—所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文■ｉｍｉｌＭＭｔｉＭＭＭ一级学科：ＪＬｆ物理化学学科专业：作者姓名：互＿＾指导教师弓长＃駙受：天津大学研究生院２０１７年５月钴基氧化物介孔纳米管的自模板法制备及其电化学性能研究Self-TemplateSynthesisandElectrochemicalPerformanceofCobalt-BasedOxideMesoporousNanotubes一级学科：化学学科专业：物理化学研究生：汪欢指导教师：张兵教授天津大学理学院二零一七年五月

2、摘要随着传统化石燃料的过度开采和使用，造成了能源的短缺，并由此引发了一系列环境问题，对人们健康和人类社会的发展造成了严重的影响。因此，开发新的、环境友好的、可再生能源是应对能源和环境危机的不二选择。近几十年来，关于能量存储和转化器件的研究取得了巨大进步，尤其是电催化水分解。本文以设计合成钴基氧化物介孔纳米管为目标，合成了无机-有机杂化的Co-Asp超长纳米线，发展了金属氧化物介孔纳米管、超薄片基介孔纳米管的自模板制备技术，研究了其形成机理，探讨了它们在电化学领域的应用。主要的研究内容包括以下几点:1.以L-天冬氨酸为辅助剂，水和乙二醇为溶剂，合成了平均直径~400nm，长度为几百微米

3、的表面光滑的无机-有机杂化Co-Asp（Asp=L-天冬氨酸）超长纳米线。探讨了反应温度、反应时间、水与乙二醇的比例以及溶液中pH值等因素对无机-有机杂化Co-Asp超长纳米线的合成影响，并确定最佳的反应条件。2.报道了基于无机-有机杂化Co-Asp超长纳米线为自模板，通过缓慢升温热处理，经过表面氧化、氧化诱导的Co-Asp扩散分解、Kirkendall效应等过程，成功合成了Co3O4介孔纳米管。兼具开放的端口和介孔结构使Co3O4介孔纳米管2表现出优异的电化学产氧活性，电流密度为10mA/cm时的过电势为390mV，Tafel斜率为76mV/dec，并且在锂离子电池性能上也展现出较

4、大的充放电电流和较高的稳定性。我们所报道的自模板策略还可以拓展制备NiO、NiCo2O4和Mn5O8等介孔纳米管以及具有介孔结构的钴基硫属化合物。3.创新发展了基于无机-有机杂化的Co-Asp超长纳米线为自模板，通过调节反应溶剂中水的含量来控制Co-Asp中离子的分解速率，成功制备了具有三维等级结构和较大比表面积的超薄片基NiCo2O4介孔纳米管和Co3O4@NiO核壳介孔纳米管。超薄片基NiCo2O4介孔纳米管表现出较好的电化学产氧活性和稳定性，2较低的起压电势（1.53V），电流密度为10mA/cm的过电势为360mV，电催化22活性面积为19.8mF/cm，是NiCo2O4介孔

5、纳米管的两倍（4.75mF/cm）。关键词：模板法，介孔纳米管，钴基氧化物，电催化产氧IABSTRACTTheexcessiveexploitationandusingoftraditionalfossilfuelshavecausedashortageofenergyandtriggeredaseriesofenvironmentalproblems,whichhaveasevereimpactonpeople'shealthandthedevelopmentofhumansociety.Therefore,thedevelopmentofnewenvironmentallyand

6、friendlyrenewableenergyisagoodchoosetodealwithenergyandenvironmentalcrisis.Inrecentdecades,ithasbeenmadegreatprogressondevelopingenergystorageandconversiondevices,especiallytheelectrocatalyticwatersplitting.Inthispaper,weselectthecobalt-basedoxidesporoushollownanotubesastheobject.Wesynthesizedt

7、heinorganic-organichybridCo-Aspultralongnanowiresanddevelopedself-templatestrategytosynthesizemetaloxidemesoporousnanotubesandultrathinsheet-basedmesoporousnanotubes.Furthermore,westudiedtheirformationmechanismandelectrocatalyticp