类普鲁士蓝及其衍生物纳米材料的制备及应用

作     者：杜凯强 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹付虎

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：类普鲁士蓝 静电纺丝 碳纳米纤维 微纳米管 水系锌离子电池 析氢反应 

摘      要：近年来,类普鲁士蓝材料因其成本低廉、制备简单、组分可调等优点在电催化和储能领域具有巨大的应用潜力。静电纺丝作为常用的一维纳米材料制备方法,具有成本低,操作简单等优点,已被广泛应用于很多领域,而且其合成的纤维具有较大的比表面积,组分结构可以被精准调控。此外,静电纺丝技术可以对纳米颗粒进行很好的组装以进一步提高材料的性能。因此,本论文将静电纺丝技术的组装效应与类普鲁士蓝的合成方法相结合,并通过不同的处理方式制备具有不同形貌、结构以及组分的一维类普鲁士蓝及其衍生物纳米材料,以希望能进一步提高类普鲁士蓝及其衍生物材料的电化学性能,主要研究工作如下:1.采用多步骤合成策略和自模板方法制备了三种具有良好析氢反应（HER）性能的非贵金属磷氮掺杂碳纳米纤维材料电催化剂,分别是FeP-CNFs、CoP-CNFs和Fe CoP-CNFs。以静电纺丝法制备的含金属盐的聚丙烯腈纳米纤维为模板,经过溶液反应在纤维表面合成PBAs纳米颗粒,并进一步通过煅烧和磷化过程最终得到目标催化剂材料。通过调控多个反应条件,分别对FeP-CNFs、CoP-CNFs和Fe CoP-CNFs进行了组分和结构调控,并研究了其对HER的电催化性能,其中Fe CoP-CNFs材料在析氢测试中表现得最优异。电催化性能测试结果表明,得益于一维碳纳米纤维的结构和不同组分间的协同效应,与其他对比样品相比,所制备的Fe CoP-CNFs在HER测试的过程中表现出较低的过电位和较小的塔菲尔斜率以及长时间循环稳定性。在0.5M HSO溶液中η为123 m V,Tafel斜率为63.7 m V/dec,证明了催化剂的较高析氢活性和出色结构稳定性。2.采用简易的自模板方法成功制备了具有一维中空结构的类普鲁士蓝微管并研究了其在水系锌离子电池中的电化学性能。通过以静电纺丝技术制备的含金属盐的聚丙烯腈纳米纤维为自牺牲模板,经过溶液反应在纤维表面均匀生长类普鲁士蓝纳米颗粒壳层,最后将PAN纳米纤维核选择性刻蚀去除,就成功构建得到了类普鲁士蓝微管,包括制备了Fe HCF微管、Co HCF微管和Ni HCF微管。将制备的Fe HCF微管和Co HCF微管材料作为电池正极材料应用到水系锌离子电池当中,并分别与颗粒状结构的Fe HCF和Co HCF进行了电化学性能对比,其中Co HCF微管表现出比颗粒状Co HCF更优异的电化学性能,容量更高,循环和倍率性能更优异。