关键词： Ag纳米颗粒TiO2   生长行为   表面增强拉曼  

摘要： Au、Ag等贵金属纳米颗粒（NPs）因其特殊的物理化学性质,如强烈的等离子激元共振效应,高活性和高选择性的催化性能等,使其在表面增强光谱、表面增强光伏与光催化、化学生物传感、光致变色材料等众多领域有着广泛的应用。贵金属NPs的性质与其尺寸、形状和结构有关。所以,对贵金属NPs进行控制生长,从而形成不同形状、尺寸、结构的贵金属NPs是开展各种应用研究的基础,而研究贵金属NPs的生长行为与机制,则对于发展新的贵金属NPs控制生长方法有着重要的指导意义。利用半导体的光催化性质,在其表面生长贵金属NPs是一种制备贵金属NPs-的有效方法,具有简单、快速、无表面活性剂等特点。目前,有关半导体光催化生长贵金属NPs的研究主要集中在金属-半导体复合材料制备,很少涉及光催化生长NPs的生长行为和生长机制。本论文围绕Ti02薄膜光催化生长AgNPs,重点研究了Ti02薄膜的表面性质对光催化生长AgNPs行为的影响、生长机制及Ag NPs-TiO2薄膜的表面增强拉曼（SERS）性质。论文的主要研究结果如下：一、清洁Ti02薄膜光催化生长AgNPs研究：通过扫描电子显微镜（SEM）和原位实时消光光谱研究了光催化生长AgNPs随生长时间的演化,发现AgNPs在清洁Ti02薄膜表面的生长过程属于奥斯瓦尔德熟化机制主导的异质成核生长。通过定量测量不同辐照光强度和Ag+浓度下AgNPs的生长速率,建立了基于光生载流子扩散和Ag+离子扩散的表面还原速率模型,揭示了辐照光强与Ag+离子浓度在光催化生长AgNPs中的作用。研究发现,在给定辐照光强下,存在一个Ag+离子临界浓度;当溶液中Ag+离子浓度小于临界浓度时,AgNPs的生长属于Ag+扩散限制生长,生长速率随Ag+浓度增加而增大;当溶液中Ag+浓度大于临界浓度时,AgNPs生长属于光生载流子扩散限制生长,生长速率与Ag+浓度无关。此外,分析了Ti02薄膜厚度、煅烧温度及ITO/TiO2复合薄膜对光催化生长AgNPs的影响。二、时效Ti02薄膜光催化生长AgNPs研究：利用在潮湿环境下长期放置的时效Ti02薄膜制备出了带有Ag纳米片的Ag-TiO2复合薄膜。通过分析不同生长条件下Ag NPs的光催化生长行为和Ag纳米片的演化,提出了AgNPs在时效Ti02薄膜表面异质成核和在近表面区自发成核的唯像生长模型,并指出了等离子激元辅助的取向附生机制和时效Ti02薄膜表面上非Ti02表面相区域的电荷积累是导致Ag纳米片形成的根本原因。这一唯像物理模型及相关机制很好地解释了Ag纳米片形成的临界溶液浓度及其与辐照光强的关系,并得到部分实验结果,如SEM、透射电子显微镜和原子力显微镜分析结果的支持。在此工作的基础上,进一步提出了一种油修饰Ti02薄膜光催化生长AgNPs的方法,实现了Ag纳米片形成的主动调控。这一结果不仅支持了时效Ti02薄膜表面的非TiO2表面相区域是导致Ag纳米片形成的原因,而且对调控光催化生长AgNPs的行为提供了新的思路。三Ag-TiO2薄膜SERS应用研究：以罗丹明6G为探针分子,研究了利用清洁和时效TiO2薄膜制备的Ag-TiO2薄膜的SERS活性。研究结果表明,Ag-TiO2薄膜的SERS活性随光催化生长时间的增加逐渐增强,最大达到106,与表面粗糙度相关,并提出单个AgNPs的电磁场增强与“避雷针效应”是Ag-TiO2薄膜SERS活性的主要原因。在此工作基础上,进一步提出了通过Ag磁控溅射沉积优化光催化生长Ag-TiO2薄膜SERS活性的方法,SERS增强因子增加约400倍。SEM的形貌分析表明：Ag溅射沉积使得AgNPs之间的间隙减小,从而形成有效电磁热点密度增加,是改善Ag-TiO2薄膜SERS活性的主要原因。此外,利用包裹有罗丹明B荧光分子的Ti02凝胶膜涂覆在Ag-TiO2薄膜表面,研究了Ag-TiO2薄膜的表面增强荧光效应。

关键词： 有机忆阻器   DNA生物聚合物   Ag纳米颗粒  

摘要： 忆阻器是具有记忆效应的非线性电阻,被称为第四个基本电路元件,将其集成在电路中可以大幅度提高数据处理器的性能。自2008年惠普实验室成功构建出忆阻器的原型开始,国际上掀起了记忆电阻的研究热潮,不同材料和不同结构的器件的研究工作相继开展。有机忆阻器件因其工艺简单、成本低、存储密度高等优点受到了广大科研人员的关注。DNA具有独特的双螺旋结构、自组装等优势,有望制备成为新型的有机忆阻器件。本文主要进行DNA忆阻器件的构建和特性研究,并采用银纳米颗粒(Ag NPs)提高其忆阻性能。本文采用旋涂法制备了掺杂和嵌入Ag NPs两种结构类型的DNA忆阻器,并对这两种器件的工作机制和忆阻性能分别进行了探讨。所做的主要工作如下:1.以柠檬酸三钠为还原剂,制备出不同尺寸的Ag NPs,并用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)对其形貌进行表征;2.构建了结构不同的Al/Ag NPs-DNA-CTMAB/ITO和Al/DNA-CTMAB/AgNPs/DNA-CTMAB/ITO两种忆阻器;3.研究了掺杂和嵌入Ag NPs对器件忆阻特性的影响,以及颗粒尺寸和扫描电压幅值对两种结构类型器件忆阻性能的影响;4.探讨了退火对掺杂Ag NPs器件忆阻性能的影响,实现了单极向双极性忆阻开关的转换;5.探讨了电压极性对嵌入Ag NPs层器件电学特性的影响。6.最后,根据器件的结构特点和实验结果,提出器件中存在载流子直接隧穿、陷阱俘获和脱陷以及氧化还原反应,探讨了器件的忆阻机理并给出了导电丝模型。

关键词： 纳米复合材料   聚倍半硅氧烷微球   Ag纳米颗粒   催化剂   电化学检测   石墨烯   氧化铜  

摘要： 复合材料由于其优良的综合性能,特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、抗菌、催化等领域,纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分,近年来发展很快,世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。本文首先综述了纳米材料的基本性质和分类方法,重点介绍了纳米复合材料的制备方法和应用范围。在本文中,制备出两种纳米复合材料,第一种将其用于催化还原对硝基苯酚、HO,第二种将其用于富氢条件下催化氧化CO,主要实验内容包括:1.以PVP作为稳定剂和表面活性剂,过硫酸钾作为引发剂,去离子水作为溶剂,采用乳液聚合反应制得了单分散的PS小球模板,然后APS通过水解缩聚作用沉积在PS球的表面,形成了表面带有氨基基团的APSQ微球,Ag通过配位作用吸附在微球上,通过NaBH4还原,最终形成了载有AgNPs的氨基聚倍半硅氧烷微球,该微球可以有效的解决AgNPs间的聚集问题。将制备出的聚倍半硅氧烷微球分别用于催化还原对硝基苯酚(4-NP)为对氨基苯酚(4-AP)和HO的分解,使用紫外可见吸光光度计和电化学工作站对反应过程进行检测,结果表明:该催化剂具有良好的催化性能,可以在27min内将4-NP催化还原成4-AP,不存在副产物的出现;在HO的电化学检测过程中,可直接对HO和催化剂载体溶液进行检测,不需要修饰电极,简化了传统的检测方法。2.以改进Hummers法制备出氧化石墨烯,然后水合肼80℃还原2h制备得到石墨烯,使其负载CuO制备出CuO/Gr纳米复合材料,以CO富氢下氧化为探针反应,初步探究了不同焙烧温度和负载量对此催化剂活性的影响,结果表明:300℃是制备此催化剂的合适焙烧温度,20%的负载量催化效果最好,在140℃时CO的转化率可达到54.5%。

关键词： 一维TiO2纳米材料   不同形貌   表面光伏特性   表面改性  

摘要： 纳米TiO2是一种多功能半导体材料,因其具备强稳定性,无毒,电子迁移率高等优异特性,激起了研究者对其关注热潮。目前的研究结果表明TiO2在光催化、光电转换和紫外探测等领域均有广阔的应用前景。与其他TiO2粉体相比,一维纳米材料的稳定性更高,电荷传输能力更强,比表面积更大,这有利于提高其光电性能。同时,纳米材料的应用也依赖于不同形貌所表现出来的特点。目前报道了许多用湿化学法制备TiO2的研究成果,但是由于金属Ti的高熔点、低气压特性,很难在温和条件下采用气相法合成一维TiO2纳米材料。本文采用一种经济、简单的方法合成形貌各异的高结晶度一维TiO2纳米结构,讨论了不同形貌结构的生长机理和光电性能,并对TiO2纳米线的表面改性做初步研究,具体结果如下： (1)以Ti片为钛源,Pd为催化剂,采用CVD法,在不同催化剂含量和反应温度下,制备出形貌各异的TiO2纳米结构。实验发现,①Ti片在PdCl2：乙醇溶液中用紫外光照射30min、1h和2h,于900℃反应,得到的纳米线尺寸从56.4nm增至187.95nm,长度从几十微米减至几微米。②保持催化剂浓度一定,反应温度为700℃、730℃和800℃,分别得到了TiO2纳米片、纳米带和塔状结构。XRD和拉曼光谱表征证实所有的Ti02纳米结构都是纯净的金红石型;纳米线的形成为VLS生长机制,而纳米片、纳米带和塔状结构则是VLS和VS共同作用的结果。 (2)催化剂处理1h,在760℃下反应40min制备了带锯齿的锥状TiO2纳米带。锯齿的出现是纳米带在生长过程中,表面裸露的Ti+和O-的活性不同而引起生长速度不同形成的。单根纳米带的微区拉曼成像表明这种TiO2锥状结构的化学组分分布均匀,表面光伏测试中也表现了良好的光电响应,这对TiO2在光电器件方面的应用具有重要价值。 (3)最后采用光化学沉积法和浸渍-沉积法分别合成Ag/TiO2和Au/TiO2复合结构。比较了沉积不同时间的金属颗粒沉积量,沉积时间越长,吸附于TiO2纳米线表面的颗粒越多。当Au颗粒吸附时间为12h时,其拉曼光谱在441cm-1处发生了蓝移,这是由于过量的Au颗粒沉积在纳米线表面,挤压到TiO2的表面原子,使TiO2表面原子的相互作用力状态发生了变化。表面光伏曲线表明吸附适量金属颗粒的TiO2纳米线的光吸收范围有所拓宽,响应强度增强,说明金属颗粒的表面修饰有利于提高其光电性能。

关键词： 多晶硅薄膜太阳电池   Ag纳米颗粒   表面等离激元   光电转换效率  

摘要： 源于其良好的电学性能及较低的成本,多晶硅薄膜太阳电池近年来备受关注。但由于薄膜太阳电池有效光学吸收与载流子收集的矛盾,即太阳电池厚度的设计必须在保证载流子有效收集的基础上尽可能多吸收入射光,使得适用于薄膜类太阳电池的新型陷光结构的研究成为近年来的研究热点。本论文主要采用磁控溅射结合原位退火或快速热退火两种方式,分别在玻璃和单晶硅(Si)上制备了Ag纳米颗粒,研究不同退火方式、薄膜厚度及退火温度对Ag纳米颗粒形貌及光学性能的影响,获得了具有较好性能的Ag纳米颗粒制备工艺。进而将Ag纳米颗粒作为多晶硅薄膜太阳电池的陷光结构,结合Mie理论研究了贵金属纳米颗粒对太阳电池电学性能的影响。实验得到的主要成果如下：1、采用磁控溅射结合原位退火的方式(升温速率为0.33℃/s)制备了Ag纳米颗粒,利用扫描电子显微镜(SEM)对样品表面形貌进行了表征,发现原位退火方式制备的Ag纳米颗粒粒径分布范围宽,且存在大量粒径小于50 nm的Ag颗粒。紫外-可见分光光度计(UV-VIS)研究发现,随着Ag纳米颗粒平均粒径的增大,消光峰位发生明显红移,其消光谱的半高宽最高可达250 nm。2、采用Mie理论研究发现,粒径小于50 nm的Ag颗粒,其光学性质主要以自身吸收为主,如纳米颗粒尺寸为50 nm时,在300～1100 nm范围内,其自身吸收仍高于50%,颗粒尺寸为20nm时,自身吸收高达95%以上。理论计算表明,通过消除小粒径Ag纳米颗粒,可有效提高样品的光学散射性能。因此,在Ag纳米颗粒陷光结构的制备中,消除小粒径纳米颗粒至关重要;3、采用磁控溅射结合快速热退火的方式(升温速率为100℃/s)制备了Ag纳米颗粒。样品形貌表征发现,金属纳米颗粒的粒径分布呈现高斯分布,快速升温方式可有效消除小粒径的纳米颗粒,且平均粒径随着Ag膜的厚度增大而逐渐增大。通过优化退火方式,样品消光峰强最高可达63%,消光峰位在418～460 nm范围内可调。4、在石墨衬底上,先后制备ZnO过渡层、多晶硅籽晶层、多晶硅太阳电池有源区及Ag纳米颗粒陷光结构。研究发现,相对于未沉积纳米颗粒的太阳电池而言,Ag纳米颗粒可有效提高薄膜太阳电池的光学吸收性能,其中短路电流的相对增强可达到10.7%。

关键词： Ag-loaded poriferous TiO2 microtablets   photoinduced second harmonic generation   GOLD NANOPARTICLES   GROWTH   ABSORPTION   SURFACE  

摘要： The studies of the photoinduced second harmonic generation were performed for the Ag-loaded poriferous TiO2 microtablets deposited on an ITO substrate. The poriferous TiO2 microtablets on a pre-cleaned ITO substrate (Kaivo, China, sheet resistance of ca. 10 Omega/square) were prepared by simply immersing the ITO substrate vertically into the growth solution that contains 5 ml of 0.5 M (NH4)(2)TiF6 (Sigma-Aldrich) and 5 ml of 1.0 M H3BO3 (R.M. Chemicals) for 15 h at room temperature. The samples were obtained from the growth solution with concentration of 0.4, 0.5 and 0.6 M. We have found that maximal second harmonic generation signal was achieved for the samples with concentration 0.5 M.

关键词： 高指数晶面   Ag纳米立方体   贵金属Pt   贵金属利用率  

摘要： 以高指数晶面为外表面的贵金属Pt纳米颗粒由于其特殊的化学性能受到了人们的广泛关注,但是目前所合成的具有高指数晶面的Pt纳米颗粒由于尺寸较大,Pt分散度较差,贵金属利用率极低,所以基本不具备实用价值。本研究以相对便宜的Ag纳米颗粒作为基底,在其表面氧化还原沉积贵金属Pt,在实现将贵金属Pt分散于其外面表提高Pt分散度的基础上,期望通过Ag纳米颗粒特定晶面对在其表面沉积的Pt原子排布方式的影响,构建出一种兼具贵金属Pt高分散度(高利用率)和Pt高指数晶面的Ag承载Pt纳米颗粒,记为Pt^Ag。通过催化甲醇电氧化反应,初步探索了 Pt^Ag的催化性能。考虑到基底Ag纳米颗粒的形貌对其上Pt的分散状态有显著影响,为了合成筛选合适的Ag纳米基底,本论文首先尝试合成了三种不同形貌的Ag纳米颗粒,分别为Ag纳米立方体、Ag纳米片及Ag正八面体,并且使用UV-vis、XRD、ICP-AES及TEM对它们进行了表征,结果表明成功制备出了这三种不同形状的Ag纳米颗粒。但是由于其中的纳米片和正八面体的产量较小,洗涤困难,易变形,不适合作为基底使用。所以最终选定Ag纳米立方体作为基底参与下一步的合成。本文采用氧化还原置换法,通过Ag纳米立方体表面原子与Pt的前驱体Na2PtC14进行氧化还原置换,调整其中的表面活性剂、功能分子及Na2PtCl4的加入量制备了一系列不同Pt载量的Ag载Pt的纳米颗粒,记为Ptm^Ag(#m为Pt在整个颗粒中的含量)通过UV-vis、XRD、ICP-AES、TEM等技术对Ptm^Ag纳米颗粒进行了表征,结果表明成功制备出了表面有Pt覆层的Pt^Ag凹面立方体纳米颗粒。并且通过考察其催化性能,初步表明Pt^Ag在甲醇电氧化反应中有较高的活性。通过以上这些对合成的探索,表明通过Pt在Ag纳米颗粒特定晶面上的沉积可以构建出高指数晶面的原子排布方式。这种合成方法成功的合成出了兼具贵金属高利用率和高指数晶面的纳米颗粒,为合成具备实用价值的具有高指数晶面的贵金属纳米材料提供了可行的途径,有望推广到合成其他具有高指数晶面的贵金属纳米材料。

关键词： 有机太阳能电池   给体低浓度掺杂   叠层电池   Ag纳米颗粒   激子阻挡层  

摘要： 有机太阳能电池因其成本低、无污染、制备简单、易于实现柔性器件等优点而成为了近年来的研究热点。虽然有机太阳能电池的效率已经突破了10%,但与无机太阳能电池相比仍有巨大的差距。为了实现有机太阳能电池的商业应用,必须进一步提高其能量转换效率。本论文通过对有机小分子太阳能电池物理过程的研究和新的器件结构设计来提高有机光伏太阳能电池效率,主要研究工作集中在以下几个方面:1.研究了给体低浓度掺杂体异质结太阳能电池的光伏性能。我们将一系列的给体材料如NPB、CBP、m-MTDATA、Cu Pc和TCTA以不同的浓度掺入C60受体基质中,发现掺杂浓度对器件性能影响很大。最佳的光伏性能在给体浓度为5%左右的时候获得。研制的以NPB作为给体的低掺杂浓度的体异质结器件的能量转换效率达到了2.25%,比平面异质结器件提高了一倍。我们发现不同给体的低掺杂浓度的体异质结器件性能差异主要是因为它们的HOMO能级不同造成的。我们发现最佳的给体与受体的HOMO能级差为0.8 e V左右。在这一发现的基础上,我们使用Sub Pc作为低浓度掺杂体异质结器件的给体,C70作为受体制作子电池,Bphen/Ag/F16Cu Pc/Mo O3作为连接层,制备出效率达到7.66%的高效率叠层电池。实验中发现F16Cu Pc对于扩大连接层中的复合区,促进载流子的收集具有重要的作用。最终,叠层器件与单个器件相比能量转换效率提高了38%。***纳米颗粒对倒置小分子太阳能电池性能改善研究。我们将Ag纳米颗粒通过热蒸发的方法制备到倒置小分子太阳能电池中,将倒置小分子太阳能电池的效率提高了33%。我们证明了Ag纳米提高倒置电池性能的原因一方面是因为局域表面等离激元共振作用提高了器件的吸收,另一方面是因为Ag纳米对ITO表面的修饰作用和对器件电学性能的改善促进了电荷收集。3.电极缓冲层对器件性能的改善研究。我们设计出Bphen/Mo O3复合阴极缓冲层,并将其成功应用到有机太阳能电池中。与传统的只使用Bphen作为阴极缓冲层的参考器件相比,使用Bphen/Mo O3复合阴极缓冲层器件的能量转换效率和寿命均获得了大幅的提高。另一方面,通过在给体Sub Pc之前插入2 nm的CBP,我们制备出高效率的平面异质结电池。插入CBP后,电池的短路电流迅速从5.32 m A/cm2提高到7.53 m A/cm2,提高幅度达到了41%。在电池开路电压和填充因子保持不变的情况下,器件的能量转换效率从3.48%提高到了5.01%。我们证明了CBP提高电池短路电流的原因是因为它在电池阳极侧的激子阻挡作用。

关键词： 核-壳结构   绿色还原   Ag纳米颗粒   多相催化   磁控分离  

摘要： 近年来,贵金属纳米粒子因自身具有的特殊物理和化学性质而成为最具发展前景的催化剂之一。尺寸的可控性、形貌的特殊性和高的比表面积使其在许多液相反应中表现出较高的催化活性和选择性。其中,Ag纳米粒子(Ag NPs)因相对其他贵金属的价格相对便宜而成为研究焦点。但是,纳米粒子因较小的尺寸,在实际应用中普遍面临易团聚、难分离回收的问题。能够有效解决该难题的一种方法是将其稳定到具有不同形貌、不同尺寸、不同组成的各类载体上。其中,日益兴起的磁性核壳结构复合纳米球,如机械和化学稳定的Fe3O4@SiO2核壳结构材料,因具有大的比表面积和可磁控分离能力,能够将活性组分分散到其表面,增大催化剂的有效活性面积,且能够实现催化剂的快速高效分离和回收,因此已被广泛用做贵金属纳米粒子的前景支撑材料。此外,在纳米金属粒子的制备过程中常常会用到NaBH4、水合肼等有毒有害的还原剂,对环境和生物体不利。为了遵循“绿色化学”的发展理念,越来越多的研究人员开始采用生物相容性的高聚物或植物根、茎、叶的提取液来绿色还原和有效稳定纳米金属粒子。其中,壳聚糖(CS),一种天然产生、生物可降解、生物相容、非毒性的多糖,因含有大量的羟基和氨基活性功能基团而使其成为一种有效的吸附剂和稳定剂以及贵金属离子的还原剂,且作为基质材料已受到广泛关注。于是,我们选择壳聚糖的水溶液来绿色还原和稳定Ag NPs,且过程中不需要添加额外的有毒还原剂和溶剂。但是,如何将磁性核壳结构材料Fe3O4@SiO2与壳聚糖结合成为一个整体是问题的关键。考虑到氨基修饰的Fe3O4@SiO2(Fe3O4@SN)的表面和壳聚糖均带有正电荷,于是我们首先选择磷钨酸(HPW),一种典型的多聚含氧阴离子,作为Fe3O4@SN和壳聚糖之间的桥连剂,通过静电和氢键相互作用将二者有效结合。此外,为了增强引入壳聚糖层的机械强度,我们选择戊二醛(GLA)作为壳聚糖层的有效交联剂。然后,用已制备的强健载体来原位还原和稳定Ag NPs。并用NaBH4还原对硝基苯酚(4-NP)的反应作为模型反应体系系统考察了已制备磁性核壳型催化剂Fe3O4@SN/HPW@CG-Ag的催化性能。结果表明,在最佳的制备条件下,如HPW、GLA的加入量和AgNO3的初始浓度均最佳时,该多功能复合催化剂表现出了良好的催化活性(反应7 min完成)和稳定性(至少重复使用10次)。且因磁性铁核Fe3O4的存在,能够在外加磁场的作用下实现催化剂的快速分离和回收。此外,对不同制备阶段的产品也进行了系统的表征。鉴于戊二醛对壳聚糖的交联是通过壳聚糖中的氨基和戊二醛中的醛基发生席夫碱反应完成的,又考虑到Fe3O4@SN的表面也含有氨基,于是想要采用戊二醛替代HPW作为桥连剂,通过共价相互作用实现Fe3O4@SN和壳聚糖的结合。和上个实验方案相比,该方案的制备过程和产物组成更加简单,更加经济。我们也将新制备的载体Fe3O4@SN/GLA@CS用做绿色还原剂和稳定剂来原位制备Ag基纳米催化剂。并在上个实验的基础上,进一步探讨了反应时间、反应温度对壳聚糖的还原能力和Ag NPs尺寸、尺寸分布和催化性能的影响。且也将最佳的催化剂应用到了4-NP的催化还原反应中。更重要的是该催化剂因含有较小尺寸的Ag NPs,表现出了更好的催化性能(反应3 min即可完成),且具有良好的可重复使用性(至少重复使用6次)和易回收性。结合以上两个实验的表征结果,我们推测在Ag NPs的制备过程中,起还原作用的是壳聚糖中的氨基。又考虑到Fe3O4@SN的表面也含有氨基,于是我们想要证明Fe3O4@SN表面的氨基能否在上述探讨的最佳条件下直接还原和制备Ag NPs。结果表明,在Fe3O4@SN的表面确实有均一的小尺寸Ag NPs产生。相对于上两个实验,由于没有了壳聚糖层的存在,反应物更容易接近活性位点,催化剂的饱和磁化强度更强,因此在4-NP的还原反应中表现出了更好的催化活性(反应2 min即可完成)和磁响应能力。在本研究课题中,通过采用不同的作用机理和方法已成功制备了具有不同壳的磁性核壳结构载体。之后,又将这一系列载体用做绿色的还原剂和稳定剂制备了具有良好催化性能、稳定性、可重复使用性以及易回收性的Ag基磁性核壳型纳米催化剂。因此,本文中多功能磁性核壳结构载体和催化剂的设计理念为制备长期稳定、易分离回收、经济、绿色的载体和催化剂体系提供了借鉴意义。

关键词： 级电容器   三维石墨烯   Ni(OH)2纳米片   Ag纳米颗粒   MnO2纳米絮   循环伏安法   恒电流充放电测试  

摘要： 随着科技的不断发展,以及环境污染的日趋严重,我们对清洁能源的需求更为紧迫。然而,清洁的能源主要来源于太阳能、风能等间歇性能源,这就要求有效的能源存储技术。由于电池无法达到大功率输入输出的这一要求,而超级电容器恰能弥补这一缺点,甚至在更多的领域,超级电容器都具有更加优越的性质,在很大程度上可以弥补或取代电池。所以,研究的关键是制备出具有较高功率密度、高能量密度、较长循环寿命以及低成本的超级电容器的电极材料。石墨烯是一种集超轻、高导电、力学等一些优良性质于一体的材料,而且自身就具有电化学性质,可以直接作为超级电容器的电极材料。另外,镍、锰材料具有较高的理论比电容,且两种元素在自然界中储量大,对环境无污染,价格低廉,是作为赝电容电极的理想材料。所以,本论文的目的是提高电极材料的电化学性质。设计合理的电极复合结构,制备出性质优良的电容器电极。首先,采用CVD方法制备出能够自支撑的三维石墨烯,用作集流体;然后,利用水热方法在其表面生长活性材料,提高其比电容。本文的主要内容包含以下几个方面：(1)利用CVD方法生长出自支撑的三维石墨烯,用作集流体。通过水热方法,在其表面生长出Ni(OH)2纳米片,得到Ni(OH)2纳米片/三维石墨烯复合材料,用作超级电容器的电极。在复合材料中,纳米片之间互相连通,每个纳米片与石墨烯直接接触,无需任何非活性的粘结剂,减小了界面电阻,便于电子传输和离子扩散;超轻的石墨烯作为集流体,在很大程度上减轻了电极的质量。对复合材料进行电化学测试,10 A/g的电流密度下,其比电容值达到1606 F/g;进行1000次循环测试,比电容保持率达96%,表明复合材料具有很高的循环稳定性。(2) Ni(OH)2纳米片/三维石墨烯复合材料表现出了良好的电化学特性,但是过渡金属仍然存在导电性差的不足,因此通过在水热溶液中加入Ag纳米颗粒,制备出包覆有Ag纳米颗粒的Ni(OH)2纳米片／三维石墨烯复合材料,从而达到提高活性材料导电性的目的。对Ag/Ni(OH)2纳米片／三维石墨烯进行电化学测试,10 A/g的电流密度下,比电容达到2167 F/g,提高了～26%;此外,电极材料的倍率性能和循环稳定性都有所提高。对其进行电化学阻抗测试,证明了Ag纳米颗粒的加入,提高了活性材料的导电性,从而进一步改善了电极的电化学性质。(3)利用上述工作中复合电极结构的优势,利用两步合成法,制备Mn02纳米絮／三维石墨烯复合材料,用作超级电容器的电极。生长出的絮状纳米结构牢牢附着在三维石墨烯的表面。随后对复合材料的电化学性能进行了详细的表征。结果显示,复合材料不仅具有较高的比电容,同时表现出良好的倍率性能。进行1000次循环测试显示比电容几乎没有衰减,具有优良的循环稳定性。