金屬氧化物（氫氧化物）納米結(jié)構(gòu)材料的制備及其在光電探測器和超級電容器中的應(yīng)用.pdf

1、過渡金屬d軌道的不飽和性，賦予了金屬氧化物（氫氧化物）一些獨(dú)特的性質(zhì)，使得金屬氧化物（氫氧化物）納米結(jié)構(gòu)材料在生物傳感器、氣體傳感器、智能窗、太陽能電池、超級電容器、光電探測器、發(fā)光二極管等領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用。其中又以光電探測器和超級電容器這兩個領(lǐng)域尤為突出。目前，應(yīng)用于這兩個領(lǐng)域的金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)材料的形態(tài)和種類正呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。當(dāng)前的研究趨勢無外乎開發(fā)和研究具有新形態(tài)和更高性能的相關(guān)材料。本論文的研究重點(diǎn)在于研究三種新型的金屬

2、氧化物（氫氧化物）納米結(jié)構(gòu)基的超級電容器電極材料，另外也開展了一些金屬氧化物基的光電探測器材料的研究。論文的第1部分是以油水界面方法組裝制備的單層聚合物膠體晶體納米薄膜為模板制備二維有序多孔氧化錫(SnO2)單層納米膜用于制作光電響應(yīng)器件。第2部分是采用溶液基超聲共組裝方法結(jié)合真空熱還原方法制備還原型氧化石墨烯-MnO2中空球雜化材料用于超級電容器。第3部分內(nèi)容是采用一步水熱共沉積法制備三維大孔鎳泡支載的超薄Ni(OH)2-MnO2雜化

3、納米片基多孔膜用于贗電容器。第4部分內(nèi)容是采用一步水熱共沉積法制備三維大孔鎳泡支載的超薄鎳鈷層狀雙氫氧化物雜化納米片基多孔膜作為正極，多孔還原型氧化石墨烯作為負(fù)極，組裝用于不對稱型超級電容器。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　(1)首先通過無皂乳液聚合制備單分散的苯乙烯丙烯酸共聚物(PSA)微球。接著通過油水界面組裝方法將制備的PSA微球組裝成單層膠體晶體納米薄膜。其中，探討了乙醇誘導(dǎo)劑用量對組裝的膠體晶體膜形態(tài)質(zhì)量的影響。之后，

4、以制備的單層膠體晶體膜作為模板，向其中填入金屬氧化物前驅(qū)體，然后煅燒制備了單層有序多孔的金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜。這一步驟中，探討了填入前驅(qū)體濃度對制備單層多孔膜形態(tài)的影響。同時，利用單層多孔膜的制備方法，制備了不同孔徑的單層多孔膜，而且擴(kuò)展制備了SnO2、 TiO2、 ZnO、CeO2這四種類型的單層有序多孔金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜。接著，我們以制備的SnO2單層有序多孔納米薄膜作為代表，制作了光電響應(yīng)器件，研究了其對不同波長光的響應(yīng)，同時還

5、測試了其對光照開關(guān)以及光照功率的響應(yīng)。實(shí)驗結(jié)果顯示，施加1.0 V的偏壓時，器件的光電流可以達(dá)到375.2μA，超過同類材料的性能，而且器件的光電流對光照功率滿足冪函數(shù)方程，說明制備的器件具有超高的靈敏度和一定的定量檢測能力，因此能夠應(yīng)用于光電探測器、光電開關(guān)以及太陽能電池等領(lǐng)域。
　　(2)以石墨粉為原料，采用Hummers氧化方法制備了氧化石墨烯。參考文獻(xiàn)方法制備了MnO2中空微球。接著采用溶液基超聲共組裝方法，利用氫鍵相互作

6、用和靜電相互作用將氧化石墨烯納米片、MnO2中空微球和導(dǎo)電乙炔黑納米粒子組裝成雜化材料。之后，利用真空熱還原方法將雜化材料還原成還原型氧化石墨烯-MnO2中空球雜化材料。雜化材料制備成電極后，對其進(jìn)行了循環(huán)伏安(CV)、靜態(tài)充放電、電化學(xué)阻抗譜(EIS)的測試，用于表征其電化學(xué)電容性質(zhì)。同時，還對比了電極制備方法、MnO2納米結(jié)構(gòu)對制備電極的電容性能的影響。測試結(jié)果顯示，制備的還原型氧化石墨烯-MnO2中空球雜化材料最大比電容和能量密度

7、分別達(dá)到578 Fg-1和69.8 Wh Kg-1，明顯高于一些已經(jīng)報道的石墨烯-MnO2基的雜化超級電容器電極材料。
　　(3)以陽離子型gemini表面活性劑G12作為納米結(jié)構(gòu)生長輔助試劑，以硝酸鎳和氯化錳作為前驅(qū)體，在沒有添加外加堿源的前提下，通過水熱共沉積制備了三維大孔鎳泡支載的超薄Ni(OH)2-MnO2雜化納米片基多孔膜。接著，將制備的鎳泡支載的雜化膜直接當(dāng)作電極用于贗電容器，測試其贗電容性能。同時，還制備和對比了不同

8、鎳錳投料比、不同G12用量、尿素和六亞甲基四胺作為外加堿源下制備的雜化膜的形態(tài)和電容性能。研究結(jié)果顯示，制備的Ni(OH)2-MnO2雜化納米片的最高比電容和能量密度分別可以達(dá)到2628.0 Fg-1和81.2 Wh Kg-1，均大幅超過了所有同類材料的性能。
　　(4)以硝酸鎳和氯化鈷作為前驅(qū)體，在沒有添加外加堿源和外加氧化劑的前提下，通過水熱共沉積法制備了三維大孔鎳泡支載的超薄鎳鈷層狀雙氫氧化物雜化納米片基多孔膜。接著，以鎳泡

9、支載的鎳鈷層狀雙氫氧化物雜化膜作為電極，測試了其電容性能。同時，還制備和對比了不同鎳鈷投料比，以及尿素和六亞甲基四胺作為外加堿源下制備的雜化膜的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)以及贗電容性能。研究發(fā)現(xiàn)，鎳泡支載的鎳鈷層狀雙氫氧化物雜化膜在0-0.5 V電化學(xué)窗口展現(xiàn)出超高的比電容（2682.0 Fg-1）和能量密度（77.3 Wh Kg-1），性能超過了所有報道的鎳鈷氧化物和氫氧化物。此外，將Hummers氧化法制備的氧化石墨烯冷凍干燥制備了三維多孔的氧

10、化石墨烯，然后真空熱還原制備了多孔還原型氧化石墨烯。將其制作成電極，測試了電化學(xué)性質(zhì)。測試發(fā)現(xiàn)，其在-1-0 V電化學(xué)窗口具有很好的電雙層電容性質(zhì)。比電容與文獻(xiàn)中報道的同類產(chǎn)品相當(dāng)。最后，以制備的鎳泡支載的鎳鈷層狀雙氫氧化物雜化膜為正極材料，多孔還原型氧化石墨烯為負(fù)極材料，組裝成（準(zhǔn)）不對稱型電容器，詳細(xì)研究了其電化學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，組裝的（準(zhǔn)）不對稱電容器電化學(xué)窗口可以擴(kuò)展到0-1.6 V，其能量密度(187.7 WhKg-1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超