含钌复合氧化物的结构因素对性能的影响—具有嵌入结构的Ru-Sn氧化物

论文摘要

电极是电化学工业领域的核心部件,高性能电极材料的合成和优化是目前研究的重点,Ru02系列电极材料是通过活性物质的氧化还原反应来实现能量的存储,它具有良好的导电性和在酸碱性溶液中的稳定性,是相对理想的电极材料。锡作为一种性能良好的半活性组元,涂层中添加锡对于Ru02起着基体搭桥的作用。SnO2的加入也可使电极氧化物涂层的表面积增大,所以可以有效的提高涂层的催化活性和稳定性,延长钛阳极的使用寿命；从结构上看,二氧化锡同二氧化钌一样,具有金红石相结构,其晶型结构稳定且唯一,符合阳极材料所需要的晶型结构。本实验研究结果发现：嵌入纳米Sn02晶种电极在提高电极电催化活性上具有显著效果；晶种的嵌入量对电极的催化活性有很大的影响,嵌入适量的Sn02晶种可以增大涂层钛阳极的活性。而加入过量的晶种会使得涂层间的结合力不够而导致涂层脱落,从而导致电极的电催化活性下降。当热处理温度为270℃、热处理时间为30min时,涂层钛阳极具有最高的催化活性。未嵌入Sn02晶种的涂层是由锡基和钌基的金红石固溶体所构成,而嵌入10%-70%SnO2晶种的RuO2-SnO2复合涂层主要由是由SnO2、RoO2基固溶体和（Sn,Ru）02金红石固溶体所构成,其中的Ru02基固溶体的成分接近纯Ru02,涂液前驱体分解后产生了新的Sn02,故实际Sn02含量比实验投入量高。采用添加Sn02的方法获得了摩尔含量大约为28-33%含量的（Sn,Ru）02金红石固溶体相。结构对性能产生重大影响,故本文引入第一性原理计算,采用密度泛函理论的方法对金红石型Sn02+Ru02电极涂层的结构进行了计算。试图建立Ru-Sn氧化物固溶体的成分与单胞体积的数量关系。经过计算与修正找到了可以表征实际SnxRu1-xO2结构的有效方法。其中固溶度与单胞体积的数量关系为：V’=62.94+9.82x+0.1787x2-1.382x3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献分析
• 1.1 电化学电极材料
• 1.2 氧化物电极材料
• 1.3 高活性电极材料
• 1.3.1 钌基氧化物电极材料
• 1.3.2 Sn基氧化物材料
• 2'>1.3.2.1 SnO₂
• 1.3.2.2 含Sn氧化物电极材料
• 1.4 工业用Ru-Sn氧化物电极材料
• 1.4.1 Ru-Sn氧化物电极材料电催化性能的优势
• 1.4.2 Ru-Sn复合氧化物的析氧性能
• 1.4.3 Ru-Sn复合氧化物的电容性能
• 1.5 Ru复合氧化物的制备方法
• 1.5.1 热分解氧化法
• 1.5.2 溶胶凝胶法
• 1.5.3 高能球磨技术
• 1.6 嵌入式结构氧化物电极材料
• 1.7 选题的意义与研究内容
• 1.7.1 问题的提出
• 1.7.2 研究内容
• 1.7.3 创新点
• 第二章 实验方法和数据处理
• 2.1 实验材料和设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 样品的制备过程
• 2.2.1 基材处理
• 2.2.2 纳米晶种的制备
• 2.2.3 涂层溶液的配制
• 2.2.4 涂层钛阳极试样的制备
• 2.3 测试与分析
• 2.3.1 电化学性能测试
• 2.3.2 析氧性能测试
• 2.4 结构分析
• 2.4.1 XRD
• 2.4.2 形貌与结构观察
• 第三章 嵌入不同比例晶种的涂层结构及其对性能的影响
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 实验材料的制备
• 3.1.2 测试方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 相成分与相结构
• 3.2.1.1 XRD
• 3.2.1.2 SEM
• 3.2.1.3 HRTEM分析
• 3.2.2 电化学特性
• 3.2.2.1 CV曲线
• 3.2.2.2 析氧性能
• 3.2.2.3 活性点分布
• 3.3 结论
• 2晶种电极的性能'>第四章 不同烧结温度下嵌入300℃SnO₂晶种电极的性能
• 4.1 实验过程
• 2晶种的制备及XRD对比'>4.1.1 不同温度SnO₂晶种的制备及XRD对比
• 4.1.2 不同温度的RuSn涂液的制备
• 4.2 电化学测试
• 4.3 实验结果分析
• 2涂层的循环伏安曲线分析'>4.3.1 250℃烧结嵌入SnO₂涂层的循环伏安曲线分析
• 2嵌入量对比电容的影响'>4.3.2 SnO₂嵌入量对比电容的影响
• 4.3.3 不同温度的比电容性能分析
• 4.3.4 内外活性分析
• 4.3.5 析氧活性分析
• 4.4 结论
• 第五章 270℃烧结温度下嵌入式电极的性能分析
• 5.1 实验过程
• 5.1.1 试样的制备
• 2晶种的制备'>5.1.1.1 嵌入SnO₂晶种的制备
• 5.1.1.2 270℃不同烧结时间嵌入式Ru-Sn电极的制备
• 5.1.2 电化学测试
• 5.2 热处理时间对电催化性能的影响
• 5.2.1 不同烧结时间电极的循环伏安表征
• 2相同嵌入量电极的CV曲线比较'>5.2.1.1 SnO₂相同嵌入量电极的CV曲线比较
• 2未嵌入和嵌入电极的CV曲线比较'>5.2.1.2 SnO₂未嵌入和嵌入电极的CV曲线比较
• 5.2.2 热处理时间对比电容的影响
• 5.2.3 析氧活性分析
• 5.3 结论
• 附录Ru-Sn氧化物固溶体结构的分析与模拟
• 1 固溶体结构分析的计算方法和结构模型
• 1.1 固溶体结构分析的计算方法
• 1.2 固溶体结构分析的结构模型
• 2 样品制备与测试
• 3 结果与讨论
• 2含量对晶格常数的影响'>3.1 SnO₂含量对晶格常数的影响
• 3.2 V-x关系的建立
• 3.3 计算数据的可靠性分析
• 3.4 拟合公式的修正
• 4 结论
• 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士期间发表的论文