晶種生長法制備類水滑石薄膜材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、無機功能薄膜材料在微電子設(shè)備、化學(xué)和生物傳感、能量轉(zhuǎn)化及儲存等方面具有重要的應(yīng)用。晶體粒子的成核及生長過程顯著影響無機薄膜的微結(jié)構(gòu)，比如比表面積、孔隙、粒子取向性及晶體形貌等特性。水滑石(LDH)作為無機層狀功能材料在催化、吸附、聚合物添加劑、藥物傳輸、環(huán)境修復(fù)及能量儲存等方面具有廣泛的應(yīng)用。將LDH構(gòu)筑成二維薄膜材料拓寬了其性能應(yīng)用。目前為止，LDH薄膜的制備方法包括原位生長、物理沉積、電化學(xué)沉積等手段，其中原位生長法制備的薄膜具有粒

2、子與基體間結(jié)合力強、易于控制晶體取向等特點，最具應(yīng)用前景。然而，水熱條件下原位生長LDH薄膜存在組分局部聚集、薄膜組成不均勻等問題，這將影響到薄膜材料的性能。創(chuàng)新LDH薄膜的制備技術(shù)提高其應(yīng)用性能具有較為重要的研究意義。
　　本論文嘗試采用晶種生長法（seeded growth method，也叫做二次生長法，secondary growth method）在鎳箔和泡沫鎳基體上制備了NiAl-LDH薄膜，并將其用作堿性鎳氫電池陽極

3、材料，測試其電化學(xué)性質(zhì)。主要的實驗結(jié)果如下:
　　(1)首先采用水熱法制備了納米NiAl-LDH晶種，晶體粒子尺寸20-30 nm左右，能夠形成穩(wěn)定的膠體溶液。然后，通過浸漬提拉在基體表面涂覆上LDH晶種層。最后在水熱條件下進行二次生長制備LDH薄膜。論文研究了晶種法LDH薄膜的晶體組成、薄膜結(jié)構(gòu)、形貌等特點，并與原位生長法制備的薄膜相比較。表征研究了薄膜隨著反應(yīng)時間的演化過程，推測了薄膜原位及二次生長的過程機制，發(fā)現(xiàn)二次生長時L

4、DH晶種具有加速晶體晶化速率的作用，所制備的薄膜材料具有更為均勻的晶體組成。
　　(2)論文將兩種方法制備的NiAl-LDH薄膜用作鎳氫電池陽極材料，測試其電化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)晶種法薄膜材料具有更好的充放電性能，更高的比放電容量及穩(wěn)定性。當充放電電流密度為30 mA g-1時，晶種法薄膜的充電電壓平臺長而低，放電電壓平臺長而高，薄膜的比放電容量為216 mAh g-1，而原位生長法薄膜的為173 mAh g-1。在50圈循環(huán)測試中，晶

5、種法薄膜的比放電容量具有更高的穩(wěn)定性。推測該薄膜具有更高的結(jié)晶度和均勻的組分分布，由此有利于降低質(zhì)子擴散阻力，并穩(wěn)定電活性材料的結(jié)構(gòu)。
　　(3)最后，本論文嘗試采用晶種法制備了MgAl-LDH薄膜，使用與上述NiAl-LDH薄膜相同的二次生長制備工藝，分別在鈦片及不銹鋼片基體上得到了MgAl-LDH薄膜材料。通過與原位法薄膜對比，發(fā)現(xiàn)晶種法薄膜的晶體結(jié)晶度更高，晶型更完整，同時生長的薄膜表面晶體更密集，進一步證實了LDH晶種在二