硅基底上纳米棒电极的制备及其应用

论文摘要

随着近年来全世界范围的能源危机和环境污染的加剧,节能而又环保的新能源系统的开发受到了越来越多的关注,这其中直接甲醇燃料电池（DMFC）和电化学电容器是研究的比较多的。但是无论是直接甲醇燃料电池还是电化学电容器,它的成本及使用寿命都在很大程度上的受器件的电极结构及电极材料的限制。本论文提出了一种新型的纳米棒电极结构,并研究了纳米棒电极作为直接甲醇燃料电池及电化学电容器电极时的电化学性质,主要内容如下:1.利用射频溅射制备Al/Ti/Si基片,然后用二次阳极氧化法把有序模板成功生长在了硅基底上,优化实验参数可以获得AAO/Ti/Si模板。与单一的AAO模板相比,AAO/Ti/Si模板具有较高的硬度,较好的耐高温性。另外,AAO/Ti/Si模板还具有独特的电化学沉积特性,使沉积材料与基底之间具有很好的结合力。2.利用直流电沉积在Si基底上成功制备了Pt及PtRu合金纳米棒,用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线能量谱（EDX）表征了纳米棒的形貌结构特征及元素成分。电化学性质测试表明,Pt纳米棒电极比Pt薄膜电极有着更大的催化电流密度,而PtRu纳米棒电极由于Ru元素的引入,使其比初期制备的Pt纳米棒电极有着更好的防碳氧化合物毒化的作用。3.为了进一步降低DMFC阳极催化剂的成本,我们制备了PtNi纳米棒电极,用FESEM、TEM、EDS和X射线光电子能谱（XPS）表征了纳米棒的形貌结构特征及元素成分。电化学性质测试表明PtNi纳米棒电极比传统方法制备的Pt/C电极有着更大的活性面积,同时循环伏安测试和长时间恒电位极化还表明PtNi纳米棒电极比Pt/C电极有着更好的抗中毒能力。4.通过直流电沉积的方法在硅基底上制备了聚苯胺（PANI）及钴锰氧化物（CMO）纳米棒。电化学测试表明在电流密度为5 Ag-1时,PANI纳米棒电极的比容量为1142 Fg-1,PANI纳米棒电极经过500圈的循环充放电后电极的比容量降低了大约5%,证明这种电极的电化学性质比较稳定。对于CMO纳米棒电极而言,经过100℃热处理的CMO纳米棒电极显示了比较好的电容行为,比容量可达396 Fg-1。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电化学能源体系
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 燃料电池的工作原理
• 1.2.2 燃料电池的特点和优势
• 1.2.3 燃料电池的分类
• 1.2.4 燃料电池开发现状与发展趋势
• 1.3 直接甲醇燃料电池
• 1.3.1 直接甲醇燃料电池的工作原理
• 1.3.2 直接甲醇燃料电池阳极氧化机理
• 1.3.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究发展
• 1.3.4 直接甲醇燃料电池阳极催化剂的构建方法
• 1.4 电化学电容器
• 1.4.1 电化学电容器的分类及原理
• 1.4.2 电化学电容器的发展历史及研究概况
• 1.4.3 金属氧化物电化学电容器材料研究进展
• 1.4.4 导电聚合物电化学电容器材料研究进展
• 1.5 论文选题思路及研究目的
• 参考文献
• 第二章 Si基底上氧化铝模板（AAO/Ti/Si）的制备
• 2.1 阳极氧化铝简介
• 2.1.1 多孔阳极氧化铝的生长机理
• 2.1.2 多孔阳极氧化铝的研究进展
• 2.1.3 硬质基体上构筑多孔阳极氧化铝研究进展
• 2.2 AAO/Ti/Si的制备
• 2.3 AAO/Ti/Si的形貌结构表征
• 2.4 过氧化法原位去除障蔽层的理论解释
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 硅基底上Pt、PtRu纳米棒电极的制备及其对甲醇的电化学催化性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 Pt纳米棒电极的制备及其对甲醇的电化学催化性质
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 Pt纳米棒电极的制备
• 3.2.3 电化学测试
• 3.2.4 样品表征
• 3.2.5 结果与讨论
• 3.3 PtRu合金纳米棒电极的制备及其对甲醇的电化学催化性质
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 Pt纳米棒电极的制备
• 3.3.3 电化学测试
• 3.3.4 样品表征
• 3.3.5 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 硅基底上PtNi纳米棒电极的制备及其对甲醇的电化学催化性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 PtNi纳米棒电极的制备及其对甲醇的电化学催化性质
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 PtNi纳米棒电极的制备
• 4.2.3 电化学测试
• 4.2.4 样品表征
• 4.2.5 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 硅基底上聚苯胺纳米棒电极和钴锰氧化物纳米棒电极的制备及它们的电化学电容器性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 PANI纳米棒电极的制备及其电化学电容器性质
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 PANI纳米棒电极的制备
• 5.2.3 电化学测试
• 5.2.4 样品表征
• 5.2.5 结果与讨论
• 5.3 CMO纳米棒电极的制备及其电化学电容器性质
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.2 CMO纳米棒电极的制备
• 5.3.3 电化学测试
• 5.3.4 样品表征
• 5.3.5 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 附录 作者简历及发表论文目录
• 致谢