AAO/CeO2纳米管电沉积过程的噪声特征与其结构和超级电容性能的构效关系研究

Ordered array nanostructure of CeO2 is an electrochemical potential electrode material due to its highly ordered porous structure and efficient specific surface area, which ensure the electrons and ions transfer effectively. This project will employ different pore sizes and depth of AAO as templates to prepare CeO2 nanotubes by anodic electrodeposition method. Firstly, the influence rule of the electrodeposition process of CeO2 nanotubes and the nucleation / growth mechanism of CeO2 nanotubes will be elucidated; Secondly, focusing on the use of electrochemical noise (EN) technique and wavelet analysis method to obtain the noise characteristics (including the time domain and frequency domain features) of the electrodeposition process of CeO2 nanotubes; Finally, using CV, EIS and galvanostatic charge-discharge and other electrochemical techniques to explore the internal relationship between the capacitive performance (specific capacitance and service life etc.) and structures of CeO2 nanotubes. Based on the above research, the relationship between electrochemical noise characteristics and the deposition mechanism, structure and capacitance performances of CeO2 nanotube will be established, and the interaction between CeO2 nanotube structure and performance will be revealed and explained. The research results of this project will provide a reference for the application of EN technique in the field of material science and energy storage.

有序阵列纳米结构CeO2因其高度有序的多孔结构和高效的比表面积，能确保电子和离子的有效传输，因而纳米结构CeO2是一种潜在的储能电极材料。本项目以不同孔径和孔深的AAO为模板，采用阳极电沉积方法制备不同结构的CeO2纳米管。首先，探明CeO2纳米管电沉积过程的影响规律，以及CeO2纳米管的“成核/生长”机制；其次，重点采用电化学噪声（EN）技术和小波分析方法，获取CeO2纳米管电沉积过程的噪声特征（包括时域特征和频域特征）；最后，采用CV、EIS、恒流充放电等电化学技术，探究CeO2纳米管的电容性能（比电容、使用寿命等）与结构之间的内在关联。在上述研究基础上，构建电化学噪声特征与CeO2纳米管的沉积机制、结构以及电容性能的关系模型，揭示并阐释CeO2纳米管的结构与性能之间的作用规律。本项目的研究结果将为EN技术在材料科学和储能领域的应用提供借鉴。

有序阵列纳米结构CeO2因其高度有序的多孔结构和高效的比表面积，能确保电子和离子的有效传输，因而纳米结构CeO2是一种潜在的储能电极材料。本项目查明了CeO2纳米管阳极电沉积过程的最佳工艺：即沉积前抽真空处理4 h，AAO孔径为200 nm，电解液浓度0.1 M Ce3+，沉积温度30 oC，pH为未作任何处理的自然镀液。明确了CeO2纳米管的“成核/生长”机制，即随着过电位的增加，CeO2成核诱导时间减小，低电流密度下遵循连续成核/生长机制，高电流密度下遵循瞬时成核/生长机制；获得了CeO2纳米管电沉积过程的噪声特征，发现CeO2生长相对能量参数n2随着电流密度的增加呈现先增加后减小的趋势；研究了CeO2纳米管在1 M KOH溶液中的电容性能，在0.5、1、2、3和4 A/g电流密度下的比电容分别为：181.6、134.1、120.2、109.3和97 F/g，在1 A/g电流密度下，经过1万圈循环测试后，电容效率保持~97 %；在上述研究基础上，构建电化学噪声特征与CeO2纳米管的沉积机制以及电容性能的关系模型，发现在沉积过程中，成核相对能量参数n1随着电流密度增加呈现先减小后增大的趋势，n2反之；而在电容性能中，能量参数n1’和n2’均随着电流密度增加而增加，且n2’的增加速率较大。本项目的研究结果将为EN技术在材料科学和储能领域的应用提供借鉴，而且对发展EN实验技术均具有重要的理论意义和实用价值。