● 摘要
层状双金属氢氧化物 (Layered double hydroxides 简称LDHs) 由于在光、电、磁、催化、离子交换以及超级电容器等领域表现出了优异的性能，近年来受到了人们的广泛关注。金属氧化物多孔材料尤其是氧化锰具有成本低、环境友好和电化学活性高等优点，被认为是最有潜力的超级电容器电极材料之一。含钴、镍和铁等多种过渡金属元素组成的LDHs材料在光、电、磁及催化等诸多领域存在潜在的应用价值，因此制备含有多种过渡金属元素组成的LDHs层状材料以及金属氧化物铸型的LDHs多孔材料具有重要的实际意义。本论文应用络合剂协助的均相沉淀技术，成功制备了高结晶性Co2+-Ni2+-Fe3+-CO32- LDHs层状材料，借助其独特的离子交换性，通过氧化还原反应制备了MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料，并对MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料的热稳定性、气体吸附性质以及电化学性质进行了研究。本论文的主要研究内容如下：
(1) MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料的制备
采用络合剂协助的均相沉淀技术，以 CoCl2?6H2O、NiCl2?6H2O、FeCl3?6H2O为原料，CO(NH2)2作为沉淀剂，C6H5Na3O7?2H2O作为络合剂，150 °C水热处理两天，制备了Co2+/Ni2+/Fe3+摩尔比为0.5/3/1的Co2+-Ni2+-Fe3+-CO32- LDHs层状材料。借助其独特的离子交换性，分别制备了Co2+-Ni2+-Fe3+-Cl- LDHs和Co2+-Ni2+-Fe3+-MnO4- LDHs。利用氧化还原反应制备了MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+LDHs多孔材料。通过XRD、SEM、TEM、IR、XPS和AAS等分析手段，对制备产物的结构、形貌及组成进行分析与表征。实验结果发现，离子交换过程中不同阶段产物的层状结构保持良好，离子交换反应和氧化还原反应过程中没有破坏LDHs层板。铸型产物中Mn元素的平均氧化态是近似于4的非整数，表明MnO2粒子已经成功铸型在层板之间。
(2) MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料的性质研究
在升温速率为1 °C min-1的条件下，MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料在马弗炉中分别于不同温度 (100 °C、200 °C、300 °C和400 °C) 煅烧4 h，研究了煅烧产物的热稳定性和气体吸附性质。MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料在不同条件下煅烧后，所得煅烧产物的结构随煅烧温度的变化而变化。MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料其层状结构可以稳定在200 °C，300 °C煅烧将使层状结构破坏。MnO2成功铸型在层间使得Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs材料结构中产生了介孔，其煅烧产物的比表面积及孔径分布均与煅烧温度有关。200 °C煅烧所得材料具有较大的比表面积，其值为145 m2 g-1。采用三电极体系，在1 mol L-1 KOH电解液中和–0.2~0.4V电压范围测试条件下，测试了MnO2铸型Co2+-Ni2+-Fe3+ LDHs多孔材料煅烧产物的电化学性质。实验结果表明，200 °C煅烧所得材料MnO2-LDHs (200 °C)具有最大的比电容，在扫描速度为5mV s?1条件下的比电容为389 F g-1。同时，200 °C煅烧所得材料MnO2-LDHs (200 °C)具有良好的电化学循环稳定性，在20mV s?1扫速下循环500圈后，比电容量保持率为92.3 %，是理想的超级电容器电极候选材料。