摘要
过渡金属纳米粒子具有优异的物理、化学特性，在能源、催化、环境、生物医学等领域具有广阔的应用前景，但过渡金属纳米粒子存在易团聚、易氧化等问题。碳纳米材料具有良好的电子传输能力和化学稳定性，可作为载体提高过渡金属纳米粒子的分散性和稳定性。因此，可控制备高稳定、高活性的过渡金属碳纳米复合材料成为人们研究的热点。本论文设计合成了一种新型有机分子插层的层状氢氧化物，以其作为单一前驱体，经过简单固态热解，可控制备了形貌均匀、高分散、高结晶度的一维镍碳基纳米复合材料，并研究了该材料在电解水制氢中的应用。具体研究内容如下: 1、以价格低廉的水溶性无机盐硝酸镍和水杨酸钠为原料，在水溶液中自组装得到水杨酸根插层的层状氢氧化镍，以其作为前驱体，在无还原剂、模板剂条件下，经一步固态热解可控制备一维Ni@C纳米复合材料。研究前驱体组成、固相反应条件对其相貌组成、晶体结构的影响，利用SEM、HRTEM、XRD、Raman、FT-IR、XPS、TG、BET等工具进行表征。结果表明，一维Ni@C纳米复合材料为形貌均匀的纳米棒(直径约50nm，长约2um)，Ni纳米粒子尺寸均匀(小于10nm)，高分散、高结晶度，大的比表面积(193.5m2/g)，丰富的氧功能基团(-OH等)，强界面相互作用(Ni-O-C)等结构特点。研究在不同热解温度下制备的一维Ni@C纳米复合材料的电催化性能，实验结果表明高温(900℃)制备的材料电催化活性最高，析氢过电位可低至78mV(i=10mA/cm2)，稳定性优异。 2、在层板上引入金属锌，进一步合成层状氢氧化镍锌前驱体，通过固态热解可控制备了一维镍碳基多元体系纳米复合材料。详细研究焙烧温度对其组成结构的影响，在700℃-800℃，可控制备了一维Ni3ZnC0.7/Ni@C纳米复合材料。HRTEM及XRD表明，小尺寸、高分散、高结晶度的Ni3ZnC0.7纳米粒子(约7nm)和Ni纳米粒子(约8nm)均匀镶嵌在高度石墨化的碳纳米棒(直径约40nm)基质中。XPS和FTIR表明，碳表面存在大量羟基，使其具有亲水性，Ni3ZnC0.7、Ni、C三者之间存在较强的价键作用，化学稳定性优异。升高固相反应温度，Ni3ZnC0.7不断被热解还原为金属Ni、Zn相，其中，金属Zn起自模板构筑多孔结构的作用。降低固相反应温度，出现ZnO相，在500-600℃，可控制备得到一维Ni3ZnC0.7/ZnO@C纳米复合材料。在电催化性能测试中，一维Ni3ZnC0.7/Ni@C纳米复合材料电催化性能优异，析氢过电位(i=10mA/cm2，32mV)和塔菲尔斜率(37mV/dec)均比商业Pt/C(35mV，80mV/dec)低，并具有极好的稳定性(10h测试性能保持98％以上)。同时，以可见光催化MB为探针反应考察该材料的光催化性能，结果表明具有优异的光催化活性。 综上所述，本论文成功可控制备了高质量的一维镍碳基多元体系纳米复合材料，具有优异的催化性能（高活性、高稳定性），并且制备方法简单、绿色、经济，在能源、环境等领域具有重要的应用前景。
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