第一章绪论

1.1引言

在未来的几十年或者更长的时间内，许多的发展中国家将陆续实现工业化和现代化，势必大量使用化石能源，这将造成极为严重的环境污染和气候变化问题。在2009年12月的哥本哈根世界气候大会上，发达国家和发展中国家为了争取排放指标针锋相对，仅仅达成了无法律效力的哥本哈根气候协议。虽然世界各国都希望能争取到更多的排放指标，但都意识到大力节约资源，提高能源效率，发展可再生能源才是缓解能源资源约束、保障能源安全、保护环境、实现可持续发展的必然选择。

我国十分重视新能源的发展，2006年颁布实施的《可再生能源法》明确提出了发展可再生能源是国家的责任和全民的义务。是“十一五”期间，我国将继续大力发展水电，继续加快发展生物质能、风电能和太阳能，逐步提高可再生能源在能源供给中的比重。同时在本本哈根会议后，国家对新能源的战略地位有了新的认识，将大幅度提高清洁能源在能源供给中的比重。同时，在能源的储存和转换上，将大力发展无污染，高效率，可再生的电化学能量存储器件，如超级电容器、锂离子电池以及燃料电池等。

近年来，由于纳米技术在制备、表征等领域的发展，纳米材料在能源的储存和转化方面展示了无与伦比的巨大潜力，尤其是在超级电容器、锂离子电池以及电化学催化剂方面。通过对纳米材料在能源的储存与转化的研究，将有助与纳米材料快速的进入到实际应用中，对保障我国的能源安全有着极为重要的战略意义。

1.2低维纳米材料简介

纳米材料按空间维数分可以分为三类。（1）零位纳米材料，又称为量子点，指在空间三维尺度均在纳米尺寸范围内，如纳米尺度的颗粒、原子团族、人造超原子等；（（2）一维纳米材料，又称纳米线，指在空间有两个维度处于纳米尺度的范围内，如碳纳米管，娃纳米线等；（3）二维纳米材料，又称纳米片，指在三维空间中一维在处于纳米尺度，如石墨稀，单层硫化物，单层氢氧化物等。当材料进入纳米尺度，这种材料就具备大量异乎寻常的特性，即仅仅需要减小尺寸（大约低于100nm）而不需要任何实质性改变，材料就能表现出新的相对特性，如导电性、弹性、强度、颜色以及化学反应性等，而完全相同的物质在宏观世界里却完全表现不出来这些特性。

在众多纳米材料中，二维材料是一种极为特殊的材料，它在三维空间中仅有一维处于纳米尺度。二维晶体在平面内有无限重复的周期结构，但在垂直于平面的方向只具有纳米尺度，可以看做是具有宏观尺寸的纳米材料，表现出许多极为独特的性质。早在20世纪30年代，Peierls等科学家就提出，二维的晶体在热力学上是极为不稳定的，因为在任何有限温度下二维晶体中的热涨落作用会破坏原子的长程有序性，导致二维晶体的分解或聚集。

第二章基于二维材料的超级电容器电极的界面研究

2.1引言

自2004年以来，随着石墨炼的问世，越来越多的层状材料被剥离成单层的二维结构，并刮起了一股二维材料研究的热潮，如层状硫化物，层状金属氢氧化物等。其中，层状金属氢氧化物是一种阴离子型层状化合物，金属多为钴、镍、铁等过渡金属。与大多数层状材料一样，层状金属氢氧化物也可剥离为单分子层的二维结构，厚度仅为纳米左右。这种单分子层金属氢氧化物由于其极大的比表面积，在电化学领域展示了极为优异的应用前景，受到国内外多个课题组的广泛关注。但是，由于二维材料自身具有较大的表面能，在制备成电极的过程中经常会发生“自堆叠”现象，这种“自堆叠”现象极大的限制了此种材料在电化学领域中的应用。

在本章中，一种全新的二维材料组装方法被提出，并成功的制备了由还原氧化石墨稀和单层金属氢氧化物所组成的全二维超级电容器电极材料，其次对还金属氢氧化物层间距效应对于赝电容活性的影响进行了深入研究。

2.2实验部分

2.2.1实验方法

2.2.1.1氧化石墨稀的制备

首先将天然石墨进行预氧化，具体步骤如下。称取天然石墨2g加入到3ml浓硫酸中，再加入1g过硫酸钾和1g五氧化二憐并均匀混合，然后将混合物至于80°C烘箱中放置6小时进行天然石墨的预氧化。在预氧化结束后，用布氏漏斗进行过滤，使用超纯水进行反复洗潘，直至清洗到PH值呈中性，然后室温干燥，得到预氧化的天然石墨。称取预氧化的天然石墨2g加入1L到的烧杯中，然后加入46ml浓硫酸，而后将烧杯置于冰水浴中并均匀搅拌，使反应温度保持在2度左右。向烧杯中缓慢地加入3g高猛酸钾，在加入高猛酸钾的过程中将反应温度维持在10°C以下。待3g高猛酸钾全部加完以后，将烧杯置于的水浴锅中，将反应温度提升到35度并保持2小时。随后，向烧杯中缓慢地加入超纯水，在加入92ml超纯水的过程中将反应温度维持在60°C左右并保持15分钟。随后向烧杯中加入280ml超纯水终止反应。最后向烧杯中加入4ml双氧水，得到氧化石墨。随后，使用10%的盐酸水溶液对氧化石墨进行至少3次离心洗漆去除残留的金属离子。而后，用超纯水继续进行离心洗涤，直至清洗至PH值呈中性。将清洗过的氧化石墨加入到1L的烧杯中并加入700ml超纯水，而后使用超声波探头进行超声剥离，最后，将超声处理后的产物置于离心管中进行离心处理，收集上清液，得到氧化石墨的水分散液。

2.2.2.2单层氢氧化钴锡的制备

首先，分别称取1.05g尿素，1.19g六水合氯化钴，0.62g六水合氯化招加入到的三颈烧瓶中，而后加入超500ml纯水并均勻搅拌，待反应物全部溶解后将三颈烧瓶置于油浴中并加热至97°C，随后对反应通入氮气，进行氮气保护，反应2天。待反应结束后，是用布氏漏斗收集反应产物，并使用超纯水和无水乙醇进行洗漆，随后将产物置于40°C烘箱中进行干燥处理，得到对离子为碳酸根的层状氢氧化钴招。待产物干燥后称取1g重新分散到1L的氯化钠与盐酸的混合溶液中，将此溶液倒入可密封的容器内，然后冲入氮气，将瓶口封严，置于摇床之上摇晃24小时，待24小时后过滤产物使用大量的超纯水水反复滤洗然后使用无水乙醇滤洗数次后置于37°C恒温干燥箱中干燥，得到对离子为氯离子的层状氢氧化钴招。随后，称取对离子为氯离子的层状氧氧化钴银0.5g放置于蓝盖瓶中，再向蓝盖瓶中加入甲酸胺，放入磁子，向蓝盖瓶中通入氮气，密封。将蓝盖瓶置于磁力搅拌器上，勻速搅拌2天进行剥离。最后，将剥离后产物置于离心管中进行离心处理，收集上清液，得到单层氢氧化钴招的甲酰胺分散液。

第三章大容量锂离子电池电极的界面研究.......44

3.1引言..........44

3.2实验部分.......44

3.2.1实验药品.......44

3.2.2实验方法.......45

第四章基于二维材料的髙性能催化剂研究.....97

4.1引言...........97

4.2实验部分.......97

第五章总结与展望.........119

第四章基于二维材料的高性能催化剂研究

4.1引言

随着石油资源的日益枯竭，环境的恶化，清洁能源近年来一直是科学研究的重点，如氧氧燃料电池，锂氧电池，甲醇燃料电池等。所以，如何使用无污染的方法，持续的生产氢气，氧气以及甲醇等就成了近年来科学研究的重点。电化学催化作为一种低能耗，安全无污染的方法，近年来受到了国内外多个课题组的广泛关注。在电催化反应中，催化剂的活性是极为重要的。目前最为优异的电催化催化剂主要为钼系金属，如金、艳、铭等，由于此类金属价格偏高，难以满足大规模的生产需求。所以，寻找廉价有效的电催化催化剂就显得尤为重要。

单层金属氢氧化物，由于其极大的比表面积，近来年，在电催化领域展示了极为优异的应用前景，尤其是含有钴，镍以及铁元素的金属氢氧化物。在本章中，对钴基和镍基单层金属氢氧化物的电催化性能进行深入研究，并将其与贵金属复合，对复合催化剂的协同作用进行了探讨。

第五章总结与展望

在本论文中，分别对超级电容器电极材料，锂离子电池电极材料以及电催化催化剂进行了深入的研究。在超级电容器电极材料的研究中，以石墨烯和单层金属氢氧化物为活性材料，首次对两种二维材料进行了有序的自组装，并制备了全二维超级电容器电极材料，展示了较为优异的赝电容特性。在锂离子电池的研究中，在电极体系中首次引入了共价键键合的概念，极大的提升了电极的稳定性，获得了循环性能较为优异的锂离子电池电极。在电催化催化剂的研究中，首次对单层的金属氢氧化物的氧还原性能，氧氧化性能进行了深入的研究，其次对单层金属氢氧化物作为复合催化剂中与贵金属催化剂的协同效应进行了深入研究，获得了氢能极为优异的析氢催化剂。

在今后的工作中，将继续进行电化学方面的工作。在超级电容器方面，通过合理的设计材料，进一步提升电极的质量比能量和体积比能量；在锂离子电池方面，通过引入其他类型的共价键，进一步提升电极性能，增加锂离子电池电极的循环使用寿命；在电催化催化剂方面，通过合理设计催化剂的多相界面，将复合催化剂应用到甲醇氧化，二氧化碳还原等领域。

参考文献（略）