硅基催化剂修饰的过渡金属氧化物纳米管阵列电极的构筑及电催化性质研究

本项目设计了一种全新的硅基无碳电极：催化剂修饰的过渡金属氧化物纳米管阵列电极。阵列电极的制备拟采取硅基氧化铝模板辅助的"原位合成法"：先在硅基氧化铝模板中电沉积制备过渡金属氧化物纳米管，溶掉模板后在管壁上生长催化剂颗粒。项目中的两个关键问题是：如何保证氧化物纳米管分散直立在硅基底上和如何在管壁上均匀生长尺寸最佳的催化剂颗粒。针对每个问题我们在研究方案中都提出了切实可行的解决办法。项目中设计了多种测试手段研究阵列电极的各种参数和对甲醇、甲酸及乙醇的电催化性能。硅基催化剂修饰的过渡金属氧化物纳米管阵列电极拥有诸多特点：全无碳的电极结构、催化剂的高分散分布、利于电解质在电极表面扩散的管状阵列结构和优越的抗中毒能力，这对于研制新一代的微型自呼吸式质子交换膜燃料电池原形器件具有重要意义。

基本完成了计划书内的研究内容，系统地研究了硅基氧化铝模板的制备条件，利用此模板得到了硅基铂纳米颗粒修饰的水合氧化钌纳米棒阵列电极，并研究了阵列电极对甲醇电化学催化行为。在完成申请书研究内容的基础上，在本基金的支持下，借助于前面工作在电沉积构筑纳米结构这一方法上的积累，开展了纳米硅薄膜以及多孔氧化钼薄膜的电沉积制备，并研究了他们在锂离子电池负极材料中的应用研究。另外，还研究了硅与石墨烯的共价复合材料的锂电负极性质。具体内容如下：.1..细致研究了硅基氧化铝模板的制备条件。结果表明，过渡层选金属Ti、铝层厚度为1 µm、电解液为草酸、氧化电位为40 V、氧化温度为4 °C、氧化时间为1 h的情况下得到的氧化铝此模板孔道最规则，最有利于阵列电极的制备。在此模板内用循环伏安法电沉积了水合氧化钌纳米管，溶去模板以后得到水合氧化钌纳米管阵列。然后利用低温高真空镀膜技术在氧化钌纳米管阵列上镀上一层Pt纳米颗粒。电化学测试表明此电极比起Pt颗粒修饰的Ti片电极拥有更大的活性面积（40.6 m2•g-1），并由此产生更好的对甲醇的电催化活性。而水合氧化钌与Pt颗粒在电催化中的协同效应更是让阵列电极展现出更好的抗中毒能力，其毒化效率为0.0021 % per s，远低于Pt颗粒电极的0.0052 % per s。通过电化学阻抗谱的分析也证明了阵列电极拥有更好的的抗中毒能力。.2..利用电沉积的方法分别得到了Si薄膜以及多孔MoO3薄膜，锂电负极性质测试表明两种薄膜都展现出了优异的倍率性能，分别是15 A•g-1后容量还能保持在1000 mAh•g-1以上以及6 A•g-1时容量仍能够保持在600 mAh•g-1以上。通过阻抗分析表明，锂离子在两种薄膜内超快的锂离子扩散速度赋予了他们优异的倍率性能。.3..利用共价键合法制备了Si与石墨烯的复合材料，Si颗粒和石墨烯在材料内部良好的分散性保证了电池拥有很好的容量保持率，50圈以后还能保持1297 mAh•g-1，保持率为92.7 %。