氢能源与新型纳米储氢材料
摘要：本文介绍了新能源战略下储氢材料的发展，其中单壁碳纳米管和碱金属掺杂的碳富勒烯具有特别好的应用前景。
关键词：单壁碳纳米管；储氢材料；；化学吸附
单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，简称为SWCNs）和富勒烯（其分子是由60 个碳原子形成的像足球样的结构，所以也称足球烯）仅在十几年前才问世，由于其特有的机械学、电学及化学性质，从一出现就吸引了众多纳米材料科学家的眼球。在结构上，SWCNs 可看作是由单层的石墨片卷成的具有纳米尺度直径的微小圆管。在力学上，它具有100 倍的钢铁的比强度。因而已被设想作为未来去太空旅游使用的提升缆绳。在电学上，它具有类似金属或半导体的电导特性。由此可衍生出大量的微电子学器件。在化学上，能以其外表面作为化学合成的基质，催化合成许多的超分子化合物；也能以其管腔为基础合成多种单晶纳米线。然而，近几年SWCNs 在储氢材料方面的应用研究已是异军突起，独树一帜。氢能源是各国未来能源战略的重点。最近，Nikitin 等和Chandrakumar等的研究，已经发现SWCNs 和碱金属原子掺杂的富勒烯具有特别高的重量比储氢容量。这一成果已经为氢燃料汽车走向实用而打下了坚实的基础。
1.新的氢能源战略
煤炭、石油、天然气等都属于不可再生性的化石类能源。科学家们预言这些主要化石类能源资源将在未来数十年至数百年内枯竭。除了面临化石能源的枯竭威胁外，来自环境保护方面的压力也超来超大。现在人类每年消耗的化石类燃料所排放的大量二氧化碳等气体，严重地影响了人类生存的星球环境。值得庆幸的是，经过多年研究科学家们已经发现最清洁的可再生性能源——氢能源。近10 多年来发达国家高度重视，我国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究。氢有望成为化石类燃料的最好替代能源，其具有许多优点：其一，氢是自然界中最普遍的元素，来源非常丰富，若能利用太阳能从水中制取氢，资源取之不尽，用之不竭。其二，氢的热值高，燃烧1 千克氢可放出62.8 千焦的热量，1 千克氢可以代替3 千克煤油。其三，氢与氧燃烧后的产物是最干净的物质——水，没有任何污染。其四，氢能的利用途径多，可直接燃烧放热或利用燃料电池进行电化学发电。其五，氢的储运及转换方式不仅有气体，还有液体、固体或化合物等多种形式。
2．合金储氢材料
目前氢气作为能源利用所遇到的主要困难是氢的贮存。传统储氢有两种方法，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气，但即使在150 个大气压下，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1％，而且易爆；另一方法是在－253℃的温度下液态贮存，但需要极好的绝热装置和庞大的贮存箱。这些传统方法都难以实用。
伴随着氢能源利用的研究，多种利用储氢材料进行固态储氢的方法应运而生。最初研究较多的是合金储氢（生成金属氢化物）。储氢合金的储氢能力相对较强，单位体积储氢密度在相同条件下相当于气态氢的1000 倍。主要有钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。研究比较成熟的几种比较好的合金的质量比储氢容量为：LaNi5H6：1.4%；TiFeH1. 5：1.8%；Mg2NiH4：3.6%。以此，国内已研制成功的氢能汽车，使用90kg 储氢合金材料可行驶40km，时速超过50 km/h。但几乎所有储氢合金都存在着自重大，质量比储氢容量低的问题。3．纳米储氢材料
虽然最新报道的金属氢化物的重量储氢容量已经提高到了约6%并且很有实用前途，但操作条件和再生过程使得它们在大多数应用中并不理想。因此，近年来人们又在开发以氢的吸附为机理的新型储氢材料，都属于纳米范畴的材料。例如沸石、金属有机结构、插合物
（clathrate）、碳纳米结构。这里的碳纳米结构主要指单壁碳纳米管和表面碱金属原子掺杂的富勒烯（C60），它们都具有特别优异的储氢性能，因此也是本文主要介绍的新型纳米储氢材料
。
3.1 用于储氢材料的单壁碳纳米管
通常人们将直径在几到几十纳米之间的材料称为纳米材料，又根据形状分为纳米颗粒、纳米纤维（或纳米线）和纳米管。自上世纪90 年代以来，纳米材料已经为开发特殊性能的材料提供了难得的机遇。其合成、性能及其在许多领域中的应用已成了研究的热点。单壁碳纳米管用于储氢的研究仅有5 年的历史。但它的应用前景非常看好。
3.1.1 单壁碳纳米管的合成
SWCNs 的合成可追溯至20 世纪90 年代初期。1998 年，Kong 和Soh 等在刻有催化材料组成的具有微米尺度的小岛状图案的硅晶片上制得了直径在1～3nm，长度达几十微米的高质量SWCNs。这些纳米管从小岛上长出来，由扫描电子显微镜和原子力显微镜很容易进行定位、描述和操作。
3.1.2 单壁碳纳米管的纯化
进入本世纪后，碳纳米管的纯化也取得了较大的进展。金属性和半导性碳纳米管通常在长材料中共存。Zhang 和Qi 等提出了一种气相等离子体碳氢化反应来选择性地蚀刻并气化金属性纳米管，而以几乎纯的形式保留半导性的纳米管。用此方法，他们获得了平行排列的100%的纯的半导性纳米管。
3.1.3 单壁碳纳米管的储氢的结构基础
2003 年，Li 和Furuta 等从理论上评价了碳纳米管的储氢容量。它可通过物理和化学两种吸附方式储氢。物理吸附虽然在液氮温度下较为明显，但在室温下无多大意义。他们从理论上计算的化学吸附的贡献最高能达到7.7%的质量比储氢容量。从结构理论上分析，构成SWCNs 的每个碳原子采用sp2 杂化，与相邻的三个碳原子分别形成三个σ型C- C 共价键，许多碳原子相互结合成二维的网状圆筒形结构。每个碳原子的第三个未参加杂化的2p轨道贡献于一个超级大π键的形成。SWCNs 的成键模式非常类似于石墨的片层，因此具有金属的导电特性。但两者也有不同之处，后者是平面的二维结构，形成的超级大π键比较稳定；前者是圆筒状的二维结构，由于弯曲使其超级大π键趋于不稳定，并且也会影响到sp2杂化。这些弯曲的几何效应导致sp2 杂化型的C- C 键产生张力，弯曲张力使碳原子出现从sp2 向sp3 杂化转化的趋势。构成SWCNs 的碳原子都有与曲面外的其它原子成键的化学活泼性。在一定条件下，刚好能与一个氢原子形成一个C-H 键。因此，当忽略边缘影响时，每个碳原子都结合（化学吸附）一个氢原子就成了推算SWCNs 最大储氢容量的理论依据。也就是说，具有碳-氢物质的量之比为1：1 的最大氢储量。
每克SWCNs（载氢）的理论质量储氢容量为：
3.1.4 单壁碳纳米管用于储氢的实验研究
2005 年，Nikitin 和Ogasawara 等人使用核级（core-level）光电子谱和X-射线吸收光谱法研究了用原子氢进行的SWCNs 的氢化。他们发现那样的氢化是可逆的，在管壁上碳原子与原子氢形成C-H 键，当加热到600℃时，此C-H 键完全断裂。其碳原子的原子比氢化度达到65±15%，相当于5.1±1.2% 的质量比氢化容量。
2006 年，Zhang 和Qi等系统地研究了在不同温度下氢等离子体与SWCNs 之间的反
应。他们使用显微镜、红外、拉曼光谱及电子转运测量法研究了氢化后SWCNs 的性质。他们观察到在侧壁氢化下SWCNs 结构变形、电导剧烈减小及半导性增加，并且在热退火到500℃下经脱氢时这些变化是可逆的。苛刻的等离子体或者高温反应也能导致碳纳米管的碳氢化而发生蚀刻（破裂）。他们发现在对抗碳氢化时直径越小的SWCNs 越不稳定。
纳米管的直径是影响储氢量的一个重要因素。理论上，二维平面网状结构有利于C
原子的sp2 杂化轨道及超级大π键的形成和稳定，而管状的二维曲面结构产生的C-C 键张力却降低了sp2 杂化轨道及超级大π键的稳定性从而增加碳原子的氢化活性。SWCNs 的半径越小，似乎氢化活性越高，单位质量的储氢容量越大。但随着SWCNs 半径的减小，氢化后的杂化轨道的稳定性增强，由C-H 键离解产生可逆释氢的难度增大，从而影响SWCNs 可逆储氢的品质。因此，并不是碳纳米管的半径越小越好。
2008 年，Nikitin 和Li 等已经将SWCNs 的重量比储氢容量提高到超过7%。他们使用纳米管膜的原位原子氢处理，与来自分子氢离解过程的氢化分开，使用原子力显微镜（AFM）研究了纳米管的大小分布，用X 射线光电子显微镜（XPS）来测定氢化度。后者提供了关于C-H 键通过C 的1s 核水平位移存在的信息并且也允许定量化每个碳原子形成的那样的键的数目。实验上，他们发现氢化的纳米管变得不稳定并解体之前，氢化度依赖于纳米管的直径分布。对于几乎100%的氢化的是那些具有直径约为2.0nm 的SWCNs，它们在室温下是稳定的，其氢化度等价于~7%的重量比的氢储存容量。他们还发现在纳米管表面上形成的大多数C-H 键在200℃～300℃的温度范围内离解。由于从SWCNs 上吸附的稳定H 原子对形成氢分子过程具有大的活化能障，所以氢的解吸主要由反应动力学控制。在研究中他们使用了两种不同的生长着的SWCN 薄膜（1 型和3 型）样品。它们生长在一种硅晶片上，此硅晶片由不同化学沉积技术原位氧化的薄层复盖。对于1 型（T1）薄膜，生长的催化剂由50mg的Degussa Aerosil 380 硅、4.5mg 醋酸钴、3.1mg 醋酸铁及0.77mg 醋酸钼的混合物在乙醇中反应2h 制成，并且在晶片的表面上以3000 rpm 的转速被旋转复盖。SWCNs 被生长在一个含有晶片的1 英寸的石英管中，先通10 分钟1000sccm 的形成气（含3%氢气的氩气）和1000sccm 的H2，在1000sccm 的形成气和1000sccm 的H2 中加热到850℃，再通5 分钟1000sccm 的形成气和1000sccm 的氩气。随后，1000sccm 的形成气通过乙醇鼓泡并在850℃通5 分钟1000sccm 的氩气。此后，在1000sccm 的形成气和1000sccm 的H2 流中冷却。他们的2 型（T2）膜是按照Nikitin 和Ogasawara 等的程序制备的。他们使用Renishaw 微-拉曼（Raman）光谱法，在750nm 激发激光波长下，T2 膜的Raman 光谱中低D 到G 带强度比显示了它们的高质量（低的无定形碳和缺陷浓度）。扫描电子显微镜也证明了此纳米管没有完全复盖基质，并且部分地以束的形式被发现。T1 膜复盖基质的90%，而T2 膜复盖40%。为了确定在T1 和T2 膜中SWCNs 的直径分布，他们使用在刻有催化剂组成的图案的Si 基质上专门制备的样品进行了详细的原子力显微镜测量。样品是由Kong 等介绍的具有5× 5m2 的催化剂模式的成熟的开发技术制备的，并且以带状模式使用外位纳秒示波器IIIa 多模式器械进行AEM 成像。原子力显微镜研究结果表明SWCNs 的直径分布：在T1 膜中的纳米管具有平均1.6 nm，T2 膜具有平均2.0 nm 的直径。
Nikitin 和Li 等在斯坦福同步辐射实验室中对束线5-1 进行了XPS 研究。其XPS 谱的能量分辨率好于0.1eV。氢原子束是在一个W 形的毛细管中通过热裂解氢分子而产生的。在氢处理期间小室中的典型压力为5× 10-7 Torr，在H 源和样品之间的距离为25cm，并且W形毛细管温度在2000℃以上。在原位原子氢处理前，在1 × 10-9 Torr 的操作压力下通过小心地褪火至750℃来清洗SWCNs 膜。XPS 谱表明了在SWCNs 膜中没有杂质和残余金属催化剂Fe、Co 或Mo。也没有测到XPS 谱的电荷影响。
3.1.5 单壁碳纳米管吸附氢后的稳定性
对于好的储氢材料，储氢的可逆性和稳定性是至关重要的。若吸附氢后SWCNs 的稳定性过低，其结构将遭到破坏。若稳定性过高，将不利于可逆地释放氢。Lu 和Scudder 等将一端半敞开的SWCNs 称为单壁扶手椅，将氢化时能沿管的一侧开裂的形象地称为拉链碳纳米管。他们用从头计算法计算了氢原子在这些纳米管上的化学吸附。计算结果表明，在管的外部氢吸附的结合能远大于管的内部，并且预言，对于小的扶手椅纳米管，在一侧选择性的位点上只要两排吸附的氢原子就能通过C-H 键的形成而打破纳米管上的最近的C-C 键，导致拉开纳米管壁的拉链。对于大的扶手椅和拉链纳米管在对抗拉链的开裂中是相对稳定的。在管的内部吸附的氢原子不破坏纳米管的C-C 键。
这种氢引起的纳米管的破裂或者“拉开拉链”不但被理论上预言，而且实验上也已观察到。理论和实验上的研究都表明了，与具有更小直径的SWCNs 相比较时，直径越大的纳米管具有越小的曲率限制而整个具有更低的反应活性，因此对于由氢化引起的蚀刻（破裂）具有更大的抵抗力。
Nikitin 和Li 等的研究显示，在样品1 中一旦碳纳米管达到30%的氢化度，另外的氢处理就引起SWCNs 膜的蚀刻。T2 样品的情形是相当不同的，他们的结果表明，在样品2中的SWCNs 用适度的H 处理时不分解。
此外，已经证明具有半导性质的SWCN 在用氢等离子体处理下比具有金属性质的更稳定。Nikitin 和Li 等的结果表明，T1 和T2 SWCN 样品在氢处理下具有不同的行为:对于T1样品~30%的氢化就能使纳米管具有随后材料蚀刻的不稳定性，而对于T2 样品几乎100%的氢化的纳米管也是稳定的。他们注意到纳米管的直径分布对于T1 样品，其平均直径在1.6 nm左右，而对于T2 样品是在2.0 nm 左右。这种平均直径的差别可能是观察到的T1 和T2 样品蚀刻情形的差异的理由之一。他们实验中的直径为2.0 nm 左右的SWCNs 不但具有最高的质量比储氢容量，并且吸氢是可逆的，吸氢后在室温下是稳定性的。可以说，这些SWCNs已经具备了储氢材料应该有的优越性能。
3. 2 可用于储氢的碳纳米颗粒除了单壁碳纳米管外，开始人们也发现富勒烯分子（尤其是C60）能与氢分子发生弱的吸附相互作用但吸附的氢分子数很少，因此从理论和当时的实验上曾认为富勒烯不是良好的储氢材料。但这些碳纳米结构具有高的比表面积、多孔性以及独特的机械性能的热稳定性，只要通过适当的修饰提高它们对氢的吸附容量，对储氢肯定大有潜力。最近，Chandrakumar 等人发现，在富勒烯C60 上面掺入碱金属杂原子后能明显增大其对分子氢的吸附容量。一个掺钠的富勒烯分子（Na8C60）能吸附48 分子氢，成为[Na(H2)6]8C60。他们将碱金属富勒烯的重量比储氢容量提高到超过9.5%. 富勒烯系列储氢材料除了具有高的储氢容量外，另一个独特的优点，是其容易制得大小均一的高质量产品，因为其分子结构是确定的。这一点，单壁碳纳米管就稍有逊色，因其直径、长度在制备中都难以控制均一。可见, 开发以碱金属掺杂的富勒烯储氢材料比单壁碳纳米管具有更好的前景。
4. 前景
随着地球化石燃料的逐渐耗尽，新的可再生能源的研究和实际应用越来越迫切。而氢能源越来越受到重视。Nikitin 和Li 等的研究将SWCNs 的质量比储氢容量提高到了7%以上，这几乎是目前质量比储氢容量最高的合金储氢材料Mg2NiH4 的两倍。而Chandrakumar 等人又把这一记录提高到了9.5%。随着纳米时代的到来，以SWCNs 和碱金属富勒烯等纳米颗粒为储氢材料的氢能发动机汽车已经离我们越来越近了。
纳米储氢电极材料主要有碳纳米管、镁镍合金和镁钛合金 Mg2 Ni纳米晶储氢材料 性能：它具有储氢容量高,吸放氢平台好,质量轻,资源丰富等优点,但要能达到实用化的目的就必须解决其在室温下吸放氢动力学性能差,表面容易形成氧化膜等缺点。 目前,在镁基储氢合金的开发研究中，现已有Mg2Ni ,Mg2Cu ,Mg2La系储氢合金，还有 一系列的多元MgNi系储氢合金。 制备方法采用机械合金化方法，即使用高能球磨机进行球磨制备 1. 采用机械合金化方法制备了Mg Ni 合金粉末,其晶 粒度在10nm左右。 2. 在较高的速度下球磨可以使生成Mg Ni 合金的时间提 前,完全合金化的过程缩短,还有利于减轻焊合提高球磨效率。 3. 过程控制剂的加入以及循环变速运转可以缓和焊合 现象的发生。 4. 初步的研究结果表明:Mg Ni 纳米晶粉末在室温下即 可吸氢,贮氢性能较之传统方法制备的材料有显著改善。 传统方法制备的Mg Ni 在温度低于250°C时不产生吸 2 氢现象,在经历一个前期活化过程之后,吸放氢实验在250 8 °C～350°C,氢气压力1.5～2.0MPa下完成。 将机械合金化制备的Mg Ni 纳米晶粉末在金属高压系 2 统进行贮氢性能研究。称取一定量样品放入反应室中,真空加热除气后,冷却到室温,放入一定量的氢气（氢气纯度大于99 %）,观察粉末在室温下的吸氢情况。 储氢碳纳米管 碳纳米管CNTs,Carbon Nanotubes 是一种主要由碳六 边形弯曲处为碳五边形和碳七边形组成的单层或多层 纳米管状材料。管的内径在几个纳米到几十个纳米之间, 长度可达微米量级。仅有一层石墨片层结构的单层管被 称为单壁碳纳米管SWNTs, Single - Walled carbon nan tubes ,有多层石墨片alled carbon nan tubes 。单壁碳纳米管 是碳纳米管的一层结构的多层管被称为多壁碳纳米 管MWNTs,Multi - W种极限状态,管径较小,直径一般为1～ 6nm,最小的直径大约为014nm,其结构中的缺陷不易存 在,具有较高的均匀性和一致性。多壁碳纳米管的直径一 般为几纳米到几十纳米,长度为几十纳米到微米,层数从 2～50不等,层间距约为0134nm。 （文献参考：Mg_2Ni纳米晶储氢材料的机械合金化制备工艺研究） 物理吸附
储氢材料的储氢原理与研究现状 氢能，即氢气中所含有的能量。具有环境友好、资源丰富、热值高、燃烧性能好、潜在经济效益高等特点[2]。目前，能源危机和环境危机日益严重。许多国家都在加紧部署、实施氢能战略，如美国针对运输机械的“Freedom CAR”计划和针对规模制氢的“Future Gen”计划，日本的“New Sunshine”计划及“We-NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能科技的投人也呈现指数上升趋势[3]。但是，氢能的使用至今未能商业化，主要的制约因素就是存储问题难以解决。因此，氢能的利用和研究成为是当今科学研究的热点之一。而寻找性能优越、安全性高、价格低廉、环保的储氢材料则成为氢能研究的关键。 目前，氢可以以高压气态液态、金属氢化物、有机氢化物和物理化学吸附等形式储存。高压气态液态[4]储氢发展的历史 较早，是比较传统而成熟的方法，无需任何材料做载体，只需耐压或绝热的容器就行，但是储氢效率很低，加压到15MPa时质量储氢密度不超过3 %。而且存在很大的安全隐患，成本也很高。 金属氢化物[5-7]储氢开始于1967年，Reilly等报道Mg2Cu能大量储存氢气，接着1970年菲利浦公司报道LaNi5在室温下能可逆吸储与释放氢气，到1984年Willims制出镍氢化物电池，掀起稀土基储氢材料的开发热潮[8-9]。金属氢化物储氢的原理是氢原子进入金属价键结构形成氢化物。有稀土镧镍、钛铁合金、镁系合金、钒、铌、锆等多元素系合金。具体有NaH-Al-Ti、 Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni(Cu,Rh)-Cr-FeO x等物质，
一、前言 随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛效应等等 或初露倪端，或已对人类造成巨大的危害，这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能 源有关。同时，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源将不能满足经济高速发展的需求，需要开发新 的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。 氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油中国论文联盟https://www.doczj.com/doc/d27589376.html, 时代末期成为一种主要的二次能源。氢能技术的发展，已在航天技术中得到了成功的应用。 氢是一种危险，易燃易爆的气体，在使用中必须保证安全，因此，一种安全、高能量密度（包括体积能量密度和重量能量密度）、低成本、使用寿命长的氢储、输技术的应用需求已越来越迫切。 二、目前主要的储氢方式 近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；（4）压缩储氢。 2．1金属氢化物储氢 氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给氢化物时，它就分解为氢化金属并释放 出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：（1）稀土镧镍，每公斤镧镍合金可储氢153L；（2）铁钛合金，储氢量大，价格低月在常温常压下释放氢；（3）镁系合金，是吸氢量最大的元素，但需要在287℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，这些金属本身是稀贵金属，因此只适用于某 些特殊场合。 与其它储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳，充氢简单、方便、安全等优点，单位体积贮氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如 何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt％，并且能在温和条件下吸放氢。根据这一标准，目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。 2.2液化储氢 将氢气冷却到-253℃时氢气即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30％），且存在蒸发损 失。液氢贮存工艺首先用于宇航中，但需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化， 导致液体贮存箱非常庞大。 2.3吸附储氢 C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中，并研究得到了在温度为-195℃和-208℃，压力为0－4．15MPa时，氢在多种活性炭上的吸附等温线：压力为4．2MPa 时，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到 6．8wt％和 8．2wt％在果等温膨胀到0．2MPa，则吸附容量为4．2wt％和5．2wt％。 在一个最近的研究中，Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂，如活性炭、碳黑、碳气凝胶 以及碳分子筛等。测试结果为：在0－20MPa压力范围内，随着压力的增大，吸附剂的储氢量只有少 量的增加。 目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层
A highly sensitive hydrogen peroxide amperometric sensor based onMnO2-modi?ed vertically aligned multiwalled carbon nanotubes，Analytica Chimica Acta，2010 MnO2-多臂碳纳米管 Cu电极 Gold nanoparticles mediate the assembly of manganese dioxide nanoparticles for H2O2 amperometric sensing，Electrochimica Acta，2010 MnO2–AuNP/ GCE H2O2电流传感 器 A novel nonenzymatic hydrogen peroxide sensor based on MnO2/graphene oxide Nanocomposite，Talanta，2010 GO/MnO2/ GCE（氧化 石墨烯） H2O2电流传感 器 Electrochemical investigation of MnO2 electrode material for supercapacitors，ScienceDirect，2011 MnO2泡沫镍电极MnO2电活性物 质作为超级电容 材料 Facile synthesis of novel MnO2 hierarchical nanostructures and their application to nitrite sensing，Sensors and Actuators B: Chemical，2009 MnO2/QPVP-Os/GCE (联吡啶锇取代的聚乙 烯吡啶) 亚硝酸盐传感器 Preparation of MnO2/graphene composite as electrode material for supercapacitors，J Mater Sci ，2011 MnO2/grapheme(石墨 烯) 超级电容器 Hydrogen peroxide sensor based on glassy carbon electrode modified with β-manganese dioxide nanorods，Microchim Acta (2011) β-MnO nanorods/GCE 。 H2O2电化学传 感器 Mn3O4 Graphene Hybrid as a High-Capacity Anode Material for Lithium Ion Batteries，American Chemical Societ，2010 Mn3O4/RGO（还原石墨 电极） 锂离子电池阳极 材料 Non-enzymatic electrochemical CuO nano?owers sensor for hydrogen peroxide detection，Talanta，2010 CuO/Cu箔H2O2电流传感 器（无酶） Synthesis of CuO nanostructures and their application for nonenzymatic glucose sensing，Sensors and Actuators B: Chemical，2010 CuO以碳为基底做成电 极 葡萄糖传感器 （无酶） A highly sensitive nonenzymatic glucose sensor based on CuO nanoparticles-modi?ed carbon nanotube electrode，Biosensors and Bioelectronics，2010 CuO/MWCNTs/Cu电极葡萄糖传感器 （无酶） An improved sensitivity nonenzymatic glucose biosensor based on a CuxO modi?ed electrode，Biosensors and Bioelectronics，2010 CuxO/Cu箔葡萄糖传感器 （无酶） Synthesis of CuO nanoflower and its application as a H2O2 sensor，Bull. Mater. Sci，2010 CuO NFS/Nafion-Au电 极 H2O2电流传感 器（无酶）
锂离子电池纳米电极材料 摘要：纳米材料因为其具有尺寸小、比表面积大等特点，在锂离子电池电极材料的研究中倍受人民关注。使用纳米电极材料之后锂离子电池容量明显比传统的块体材料提高很多，然而纳米材料的使用也带来了相应的问题。本文主要讨论纳米材料在锂离子电池电极材料上的应用，分析其优缺点和改进方法，并对未来锂离子电池电极材料做出了展望。 关键词：纳米材料，锂离子电池， 1.锂离子电池原理和结构 作电压与重量能量密度优于常用的镍镉电池(Ni/Cd)与Ni/MH电池，又无记忆效应及环保问题(锂离子电池的金属含量最低)，因此成为目前商业开发二次电池的主流；还以其薄形化及形状有高度的可塑性等特点，因此符合电子产品轻、薄、短、小的要求，所以备受各国科学家及电池业的重视，发展极快。 锂离子电池被人们称为“绿色环保能源”和“跨世纪的能源革命”。锂离子电池是照相机、电子手表、计算器、各种具有储存功能的电子器件或装置的理想电源。其结构如下图所示： 图1. 锂离子电池的结构
锂离子电池由正负电极、电解质、隔膜和外部控制电路组成。所以研究锂离子电池材料包括：电极材料、电解质材料和隔膜材料。 锂离子电池工作原理如下[1]： 图2. 锂离子电池工作原理 正极反应：LiCoO2→CoO2+Li++e 负极反应：Li++e+C6→LiC6 电池反应：LiCoO2+C6→CoO2+ LiC6 放电时：锂离子由负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中。充电时：锂离子从正极中脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中。 2.纳米电极材料的优缺点 锂离子电池纳米电极存在一些潜在的优缺点。 优点：（i）更好地释放锂嵌入和脱嵌过程中的应力，提高循环寿命；（ii）可发生在块体材料中不可能出现的反应；（iii）更高的电极/电解液接触面积提高了充/放电速率；（iv）短的电子输运路径（允许在低电导或高功率下使用）；（v）短的锂离子传输路径（允许在低锂离子传导介质或高功率下使用）。 缺点：（i）高比表面积带来的不可预期的电极/电解液反应增加，导致自放电现象，差的循环性能及寿命；（ii）劣等的颗粒包装技术使其体积能量密度很低，除非开发出一种特殊的压缩工艺，否则会限制它的应用；（iii）电极合成过程可能会更加复杂。
Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts Ki-Joon Jeon 1?,Hoi Ri Moon 2??,Anne M.Ruminski 2,Bin Jiang 3,Christian Kisielowski 4,Rizia Bardhan 2and Jeffrey J.Urban 2* Hydrogen is a promising alternative energy carrier that can potentially facilitate the transition from fossil fuels to sources of clean energy because of its prominent advantages such as high energy density (142MJ kg ?1;ref.1),great variety of potential sources (for example water,biomass,organic matter),light weight,and low environmental impact (water is the sole combustion product).However,there remains a challenge to produce a material capable of simultaneously op-timizing two con?icting criteria—absorbing hydrogen strongly enough to form a stable thermodynamic state,but weakly enough to release it on-demand with a small temperature rise.Many materials under development,including metal–organic frameworks 2,nanoporous polymers 3,and other carbon-based materials 4,physisorb only a small amount of hydrogen (typ-ically 1–2wt%)at room temperature.Metal hydrides were traditionally thought to be unsuitable materials because of their high bond formation enthalpies (for example MgH 2has a H f ～75kJ mol ?1),thus requiring unacceptably high release temperatures 5resulting in low energy ef?ciency.However,recent theoretical calculations 6,7and metal-catalysed thin-?lm studies 8have shown that microstructuring of these materials can enhance the kinetics by decreasing diffusion path lengths for hydrogen and decreasing the required thickness of the poorly permeable hydride layer that forms during absorption.Here,we report the synthesis of an air-stable composite ma-terial that consists of metallic Mg nanocrystals (NCs)in a gas-barrier polymer matrix that enables both the storage of a high density of hydrogen (up to 6wt%of Mg,4wt%for the composite)and rapid kinetics (loading in <30min at 200?C).Moreover,nanostructuring of the Mg provides rapid storage kinetics without using expensive heavy-metal catalysts. There have been various efforts to synthesize nanosized magnesium,such as ball-milling 9,sonoelectrochemistry 10,gas-phase condensation 11and infiltration of nanoporous carbon with molten magnesium 12.However,these approaches remain limited by inhomogeneous size distributions and high reactivity toward oxygen.Our synthesis for air-stable alkaline earth metal NC/polymer composites consists of a one-pot reduction reaction of an organometallic Mg 2+precursor in the presence of a soluble organic polymer chosen for its hydrogen gas selectivity (Fig.1).The Mg NCs/PMMA nanocomposites were synthesized at room 1Environmental Energy T echnologies Division,Lawrence Berkeley National Laboratory,Berkeley,California 94720,USA,2The Molecular Foundry,Material Science Division,Lawrence Berkeley National Laboratory,Berkeley,California 94720,USA,3FEI Company,NE Dawson Creek Dr.,Hillsboro,Oregon,97124,USA,4National Center for Electron Microscopy and Helios SERC,Lawrence Berkeley National Laboratory,Berkeley,California 94720,USA.?These authors contributed equally to this work.?Present address:Interdisciplinary School of Green Energy,Ulsan National Institute of Science and T echnology (UNIST),Ulsan 689-798,Korea.*e-mail:jjurban@https://www.doczj.com/doc/d27589376.html,. Mg 2+ + Li Lithium naphthalide Bis(cyclopentadienyl)- magnesium Mg/PMMA nanocomposites b a H 2 Mg nanoparticle Organic polymer with selective gas permeability PMMA THF H 2 H 2O O 2 Formation of MgH 2 Figure 1|Mg NCs in a gas-barrier polymer matrix.a ,Schematic of hydrogen storage composite material:high-capacity Mg NCs are encapsulated by a selectively gas-permeable polymer.b ,Synthetic approach to formation of Mg NCs/PMMA nanocomposites. temperature from a homogeneous tetrahydrofuran (THF)solution containing the following dissolved components:the organometallic precursor bis(cyclopentadienyl)magnesium (Cp 2Mg),the reduc-ing agent lithium naphthalide,and the gas-selective polymer poly(methyl methacrylate)(PMMA).Mg nanocrystals are then nucleated and grown in this solution by means of a burst-nucleation and growth mechanism 13in which lithium naphthalide reduces the organometallic precursor in the presence of a capping ligand (the soluble PMMA (M w =120,000)acts as a capping ligand for the Mg nanocrystals)14.Transmission electron microscopy (TEM)analysis of our reaction mixture before addition of reductant,immediately thereafter,and at later stages of the growth (Supplementary Fig.S1)further support this model.
稀土-镁-镍系储氢电极材料的研究进展 Ξ 闫慧忠,孔繁清,韩 莉,熊 玮,孙晓华 (包头稀土研究院,内蒙古 包头 014010) 摘 要:介绍了国内外对各种多元及多相稀土-镁-镍系储氢电极材料的研究进展,主要包括材料的组成、制备方法、组织结构以及吸放氢动力学行为和电化学性能方面的研究。 关键词:稀土-镁-镍系;贮氢合金;复合贮氢材料;储氢电极材料 中图分类号:O 614133;T G 139+17 文献标识码:A 文章编号:100420277(2005)0120060207 贮氢合金是20世纪60年代末发现的一类具有高储氢密度的功能材料,从组成上大致可分为四类:稀土系如L aN i 5;镁系如M g 2N i 、M gN i 、L a 2M g 17;钛系如T i N i 、T iFe ;锆系如ZrN i 2。L aN i 5型贮氢合金已实现了产业化,主要用于制作M H N i 电池的负极材料,其理论容量为370mA ?h ?g -1,实际开发的最大容量为320mA ? h ?g -1。由于容量限制,M H N i 电池的应用范围及市场竞争力受到挑战。镁及某些镁基贮氢合金如M g 2N i 、M gN i 、L a 2M g 17等, 由于其储氢量大、重量轻、资源丰富、价格便宜,在开发新型高容量储氢电极材料的过程中引起了广泛的关注,成为该领域的研究热点[1],纯镁及几种镁基贮氢合金与L aN i 5的理论电化学容量如图1所示。 图1 几种贮氢合金理论电化学容量的比较 F ig 11 Co m par ison of idea l electroche m istry capac ities of hydrogen storage a lloys 镁基贮氢合金作为电极材料应用时存在的主要问题是动力学性能较差以及充放电循环中容量衰减快。通过添加改性元素(多元合金体系)、改进制备工艺、表面处理、热处理、机械球磨改性等措施,可在一定程度上解决这些问题。此外,大量的研究表明,通过适当的制备工艺与动力学性能良好的贮氢合金如L aN i 5复合,可明显改善镁基储氢材料的动力学性能,由此获得一类新型稀土-镁-镍系高容量复合储氢电极材料。 1 稀土-镁-镍系多元合金体系 111 三元体系 对三元系合金L a 2M gN i 9,L a 5M g 2N i 23,L a 3M gN i 14储氢特性的研究结果表明,L a 5M g 2N i 23合金负极的放电容量高达410mA ?h ?g -1,比AB 5型合金大113倍。这些三元系合金主要是由超点阵结构中叠层的AB 5和AB 2结构亚单位构成[2]。 速凝M g 2N i 2R E (R E =Y 或富Ce ,富L a 的混合稀土金属M m )合金淬火后呈非晶态或纳米晶 非晶态,即平均尺寸3nm 的纳米晶置于大量非晶相中,M g 76N i 19Y 5和M g 78N i 18Y 4合金与M g 75N i 20M m 5比较,M m 比Y 对储氢容量产生更有利的影响,这些合金的结晶化经过亚稳态的面心立方M g 6N i 相转变成纳米晶材料[3]。T anaka 等[4]测定了速凝法制备的非晶态和纳米晶结构的晶态M g 2N i 2R E (R E = 第26卷第1期2005年2月 稀 土Ch inese R are Earth s V o l .26,N o.1 Feb ruary 2005 Ξ收稿日期:2004204208 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20363001);内蒙古自然科学基金资助项目(200308020215) 作者简介:闫慧忠(19622),男,内蒙古乌拉特前旗人,在读博士,高级工程师,研究方向为储氢材料的制备和研究。
课程论文 储氢材料概述Hydrogen storage material in the paper 作者姓名：关体红 年级专业： 2010 级应用化学 课程名称：化工实用技术 学号： 20105052006 指导教师：许东利 完成日期： 2012-06-15 成绩： 信阳师范学院 Xinyang Normal University
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 引言 (1) 1 碳基储氢材料 (2) 1.1活性炭储氢 (2) 1.2 碳纤维储氢材料 (3) 1.3 碳纳米管储氢材料 (3) 1.4 碳化物的衍生物作为储氢材料 (4) 2 有机物储氢材料 (4) 3 储氢合金 (5) 3.1 镁系 (5) 3.2 稀土系 (6) 3.3 钛系 (6) 3.4 锆系 (6) 3.5 V基固溶体储氢合金 (6) 4 配位氢化物储氢材料 (7) 结束语 (7) 参考文献 (8)
信阳师范学院化学化工学院学年论文 储氢材料概述 学生姓名：关体红学号：20105052006 化学化工学院2010级应用化学 课程名称化工实用技术 摘要：氢能是21世纪主要的新能源之一。作为一种新型的清洁能源 ,氢的廉价制取、安全高效储存与输送及规模应用是当今研究的重点课题 ,而氢的储存是氢能应用的关键。储氢材料能可逆地大量吸放氢 ,在氢的储存与输送过程中是一种重要载体。本文综述了目前研究最广的四大类储氢材料：碳基储氢材料、有机物储氢材料、储氢合金、配位氢化物储氢材料。 关键词：储氢；碳基；有机液体；储氢合金；配位氢化物 Hydrogen storage material in the paper Abstract：In the 21st century, the hydrogen is one of the major new energy. As a new type of clean energy, the cheap hydrogen production, storage and transportation safety and efficiency and scale of application is the key research subject, and hydrogen storage is the key of hydrogen application. Hydrogen storage material can absorb a large reversibly put hydrogen, in hydrogen storage and transport process is a kind of important carrier. This paper summarized the present study is the most extensive four categories of hydrogen storage material: carbon hydrogen storage material and organic hydrogen storage material, hydrogen storage alloy, coordination hydride hydrogen storage material. Keywords：Hydrogen storage; Carbon; Organic liquid. Hydrogen storage alloy; Coordination hydride 引言 人类进入21世纪，节能环保不再只是一句口号。随着能源紧张与环境污染问题的日益凸显，新能源和清洁能源的开发利用受到人们越来越多的关注。在众多新能源中，氢能被人们寄予了厚望。
纳米级电极材料对锂离子电池的脱嵌性 与循环稳定性的影响 摘要电子信息时代的到来对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。但控制锂离子电池性能的关键部分—电极材料仍没有达到人们需要的要求。本文综述了一项崭新的电极材料，从其对锂离子电池的嵌入—脱出性与充放电循环稳定性的影响来讲述其作为一种电极材料的优越性。 关键词锂离子电池纳米级电极材料脱嵌性循环稳定性 序言 锂离子电池是当今世界最备受关注的新型电池之一，它受到人们的高度重视，运用前景十分广阔。锂离子电池具有单体电池电压高（大于3.6V）、能量密度高、使用安全、可靠等特点，因此引起人们广泛的关注和竞相开发应用。锂离子电池将成为下一代高性能二次电池的代名词，被认为是最具有发展潜力的电池之一。 开发锂离子电池的主要任务之一是寻找一种合适的电极材料，使电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求【1-8】。纳米材料由于其特殊的微观结构，使其具有特殊的机械、物理、化学性能。近几年来其制备、表征及应用得到了迅速发展，纳米材料在许多物理化学特性上显示明显的量子效应，表面微结构在纳米尺度上的可调性以及超乎寻常的高比表面原子比率引起了人们普遍的重视，在许多领域已有广泛的应用。 1. 纳米级材料的特性 1.1 纳米粒子 纳米粒子指线度处于1～100nm之间的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子的总称。纳米粒子的形态并不限于球形，还有板状、棒状、角状、海绵状等。当粒子尺寸进入纳米级时，具有量子尺寸效应，小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。
纳米储氢技术 摘要：氢能是未来最有发展前景的绿色能源之一，致力于发展以氢作为能源载体的清洁可再生能源技术已成为全球的共识，然而氢的安全高效存储一直是制约氢利用的瓶颈。因此，探寻新型的具有高容量储氢性能和良好吸放氢动力学性能的储氢材料是目前国际上高度关注的研究课题。正在研究的储氢技术主要包括高压储氢、金属氢化物材料、配位氢化物材料、化学氢化物材料、金属有机框架材料等，但目前它们均无法完全满足储氢量高、吸放氢速度较快、吸放氢温度适中、循环性能较好、安全和价格经济等储氢材料的要求。因此，研究者的方向转向了具有多孔和高比表面积的纳米储氢材料。研究者发现，将氢原子在吸放氢的过程中所需要运动的活动范围限制到纳米级，储氢材料能够体现出良好的动力学性能。此外，理论计算结果表明，当颗粒尺寸减少到纳米级时，金属氢化物会因为表面能的急剧增加，使其热力学性能大大改善。因此，制备纳米级的储氢材料是提高材料吸放氢性能的重要途径。例如，碳基纳米结构以其具有轻质量和大比表面积的特点受到关注；使用金属原子对纳米结构的表面进行修饰，包括过渡金属元素、碱金属元素或碱土金属元素等都可以显著的提高纳米结构的化学活性，从而提高储氢量。 关键词：多孔、低维纳米材料、碳纳米管、硼纳米管、金属原子修饰
目录 纳米储氢技术 (1) 1.研究背景 (3) 1.1燃料电池汽车的发展概况 (3) 2.研究现状 (3) 2.2.1高压储氢技术 (5) 2.2.2液化储氢技术 (8) 2.2.3金属氢化物储氢技术 (8) 2.2.4有机液体储氢材料 (9) 3纳米储氢技术 (10) 3.1碳复合纳米材料 (11) 3.1.1碳纳米管或纤维 (11) 3.1.2Ti掺杂碳纳米管 (12) 3.2镁基储氢材料的纳米改性 (15) 3.2.1复合材料储氢性能及温度对储氢性能的影响 (17) 3.3硼基纳米材料储氢 (19) 3.3.1硼化锂低维结构 (19) 3.3.2硼氮纳米结构储氢 (20) 3.3.3金属硼烷结构储氢 (22) 4总结与展望 (22)
纳米储氢材料的研究进展* 刘战伟? (桂林电子科技大学信息材料科学与工程系，广西 桂林 541004) 摘 要：储氢材料的纳米化为新型储氢材料的研究提供了新的研究方向和思路，本文详细介绍了纳米储氢材料性能提高的机理，综述了纳米碳纳米管储氢材料、镁基纳米储氢材料以及复合纳米储氢材料 的最新研究进展，并对储氢材料纳米化的广阔前景进行了展望。 关键词：纳米；储氢材料；储氢性能 中图分类号：TB383 文献标识码：A文章编号：1003-7551(2009)01-0033-04 1 引言 当今世界，随着传统能源石油、煤炭日渐枯竭，且石油、煤炭燃烧产物二氧化碳和二氧化硫又分别产生温室效应和酸雨危害，使人类面临能源、资源和环境危机的严峻挑战，寻找新的能源已成为人们的普遍共识。氢作为一种洁净能源，已受到人们的充分重视[1]。近年来，在镍氢二次燃料电池等氢能的应用方面不断取得进展。20世纪60年代末，研究者发现Mg2Ni、LaNi5、FeTi等金属间化合物具有可逆储放氢气的特性，并且储氢密度大，可与液氢和固氢效果相比拟[2,3]。此后随着对于金属氢化物作为能量储存以及能量转换材料进一步深入地研究，到目前为止，已开发的贮氢合金主要有AB、AB5、AB2、A2B和镁基五大类型[4]，储氢合金主要由可与氢形成稳定氢化物的放热型金属A(La、Ti、Zr、Mg、V等)和难与氢形成氢化物但具有氢催化活性的金属B(Ni、Fe、Co、Mn等)按一定比例组成。传统的AB、AB2和A2B型储氢合金储氢量不超过2wt%，这对储氢合金的某些应用领域(如燃料电池)是远远不够的。国际能源协会(IEA)要求储氢量至少为5wt%，并且放氢温度低于423K，循环寿命超过1000次。而传统镁基储氢量高，但有放氢温度高和吸放氢动力学慢的缺点。如何获得容量大，充放氢速度快，放氢温度低的新型储氢材料，成为储氢材料与储氢技术研究和开发中至关重要的内容和亟待解决的问题。 纳米材料是指一类粒度在1～100nm之间的超细材料，是介于单个原子、分子与宏观物体之间的原子集合体，是一种典型的介观体系。由于纳米材料的比表面能高，存在大量的表面缺陷，高度的不饱和悬键，较高的化学反应活性以及自身的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等，从而使其具有常规尺寸材料所不具备光学、磁、电、热等特性，成为继互联网和基因研究之后科学领域的又一研究热点，引发了世界各国科学工作者在相关理论研究及应用开发的广泛兴趣。纳米尺度的贮氢合金呈现出许多新的热力学和动力学特征，其活化性能明显提高[5,6]，具有更高的氢扩散系统[7,8]，并具有优良的吸放氢动力学性能[7,9,10]。储氢材料的纳米化为新兴的储氢材料的研究提供了新的研究方向和思路，本文详细介绍了纳米储氢材料性能提高的机理，综述了纳米碳纳米管储氢材料、镁基纳米储氢材料以及复合纳米储氢材料的最新研究进展，并对储氢材料纳米化的广阔前景进行了展望。 2 纳米储氢材料储氢性能提高机理 一般认为，储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因：（1）量子尺寸效应和宏观量子隧道效应：对于纳米尺寸的金属颗粒，连续的能带分裂为分立的能级，并且能级间的平均间距增大，使得氢原子容易获得解离所需的能量，表现为贮氢合金活化能降低和活化温度降低；（2）纳米材料的表面效应：纳米颗粒具有巨大的比表面积，电子的输送将受到微粒表面的散射，颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒，界面电荷的积累产生界面极化，而元素的电负性差越大,合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定，金属氢化物能够大量生成。单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）比表面积和催化特性：纳米贮氢合金比表面积大，表面能高，氢原子有效吸附面积显著增多，氢扩散阻力下降，而且氢解反应在合金纳米晶的催化作用下反应速率增加，纳米晶具有高比例的表面活性原子, 有利于反应物在其表面吸附,有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。另外，由于纳米晶粒相当细小,导致晶界和晶格缺陷增加,而晶 * 基金项目：广西研究生教育创新计划资助项目（2008105950805M438） ? 通讯作者：liuzhanwei@https://www.doczj.com/doc/d27589376.html, 收稿日期：2009-01-13 33
金属纳米结构电极材料的制备及性能研究 发表时间：2016-11-18T10:34:07.250Z 来源：《基层建设》2016年15期作者：吕凝磊 [导读] 摘要：随着社会经济和社会环境的不断发展，促使科学技术和观念也得到了有效的提升，其中就包括对金属纳米结构材料的研究与分析。同时，由于其的尺寸、形状、构成等的改变会出现不同机构，并且具备不同的物理性质，在实际发展的过程中也受到了广泛的应用。 东莞劲胜精密组件股份有限公司 摘要：随着社会经济和社会环境的不断发展，促使科学技术和观念也得到了有效的提升，其中就包括对金属纳米结构材料的研究与分析。同时，由于其的尺寸、形状、构成等的改变会出现不同机构，并且具备不同的物理性质，在实际发展的过程中也受到了广泛的应用。金属纳米结构电极素材本身就具备大面积、高效的催化活性以及优质的导电性，促使其在电催化和电化学传感的工作中占据重要的影响力。 关键词：金属纳米结构；电极材料；制备；性能研究 通过对实际应用的案例研究分析，复合金属纳米结构电极素材在实际发展的过程中要比单一化的更具备一定的性能，例如更好的催化活性、催化的选择性以及更为完善的抗钝能力。核壳结构的金属纳米素材是一种具备特殊性的复合素材，其也具备一定的特殊性，例如平稳性、分散型以及构成可控性等，在实际发展和应用的很多领域中都展现出一定的特异性。但是，其在电催化和传感领域中的应用展示却少之又少。具备高性能电极素材的就有负载型纳米电极材料，通过对实际案例的研究与分析可以知道，碳纳米管的特殊性、高化学平稳性、优质的导电性以及电催化特点成为电活性素材的重要依据。除此之外，电极素材在变化形状的过程中也可以有效的控制电极素材性能。因此，促使其成为不断发展过程中重要的研究方向和观点。电化学沉积法在实际操作的过程中较为简易、灵活，也是制备金属纳米结构电极素材重要的形式之一。 一、核壳结构铂金纳米材料的电催化性能研究 金和铂在金属素材中是一种较为典型的素材，其在电催化和传感领域中的工作也的得到了有效的关注。与单一的金属对比分析，其具备独特的能力。由于符合金属纳米结构淡季素材的构成受到多样化因素的影响，以此对其结构进行研究，这对研究复合金属的性能等工作有一定的影响意义。金属纳米结构作为葡萄糖无酶传感器的电极素材在实际发展过程中的研究较早，并且非常娴熟，现阶段有很多金属和其复合纳米结构素材在其从传感器中推广。 （一）实验 在实施实验的过程中主要分为以下几点：第一，仪器和试剂。在实施的过程中需要选择一个完善的实验环境，依据三电极铂丝为对电极，饱和甘汞为参比电极，电位以饱和KCI为依据。同时，在实验过程中应用的试剂都是分析其纯并没有经纯化。电解液磷酸缓冲溶液、葡萄糖等在实验之前都需要超纯水进行配置。在没有特殊要求下，全部的电化学实验需要在氮气的保护下实施，全部的电流密度素质需要依据电荷的几何面积为依据。第二，素材的合成。其主要是进行金属纳米棒和Au@Pt纳米结构的合成。第三，准备Au@Pt的分散液。其主要是依据2.0 mg Au@Pt在两种不同超纯水中超声分散分钟后，获取不同浓度的分散液。第四，Au@Pt修饰电极的制备。其主要分为以下几点：一是滴涂Au@Pt电极，在应用GC之前，需要依据不同形式的抛光粉抛光之后，应用水和乙醇进行超声清洗。并且，在其表层滴入一定的分散液，在挥发之后，滴涂相应的溶液，以此获取有效的电极素材。二是自组装PSS/Au@Pt电极，其主要是指Au@Pt具备正电，可以在静电的状态下自主构成Au@Pt薄膜电极。三是自组装CNT/Au@Pt电极。四是吸附法制备CNT/Au@Pt电极。 （二）结果与探讨 通过实验之后依据电子显微镜对其形状的观察和研究，在结合实际发展的知识可以知道，电极素材的结构形状对其活性有一定的影响，粗糙电极与平整的对比分析可知，其具备的催化活性较高。同时，在选择制备方案的过程中也影响着电化学活性的发展。通常情况下，电极表层催化活性点位会随着催化剂装饰数量的增加而增加，以此提升了催化电流，但是催化剂数量的增加也会导致降低了催化反应，催化活性，严重的还会影响电极平稳性。通过实验和分析表现，Au@Pt电极的活性成分最重要的就是铂，复合材料中的Pt纳米点有助于提升电极的催化活性。同时实验表明，双金属复合素材可以具备协同的能力，有助于提升复合素材的催化性能【1】。 二、纳米结构铜电极材料的电化学制备及催化性能研究 （一）实验 其主要分为以下几点：第一，仪器和试剂。其主要包括了葡萄糖、氢氧化钠以及硫酸铜等试剂，而仪器包括了电子显微镜。第二，沉积实验。先是要选择一个优质的实验站，依据三点测试系统是实施有效的实验工作。同时，在没有特殊说明下都是全部的电化学实验都需要在氮气的保护下实施【2】。 （二）结果和研究 在酸性条件下实施实验，依据大过电位电沉积金属铜，主要是对其方案、液体、时间等数据对沉积物体和电活性进行研究。同时实验说明，改变沉积的条件可以有效的对沉积物形状进行控制，在沉积溶液为1 0.15 M CuSOa+0.42 MH}S04、沉积电位一1.5 V、沉积时间为十秒时，其纳米结构铜电极对葡头糖具有一定的催化活性。同时，其在无酶葡萄糖传感器中的应用说明，在+0.45 V检测电位下，其具备一定的干扰能力、灵活性较强以及平稳性等。 三、电沉积碳管膜负载铜及其催化性能研究 （一）实验 其主要分为以下几点：第一，仪器和试剂。先选择一个完善的实验地点，依据三电极系统进行有效的工作，试剂包括了硫酸、硫酸钠、葡萄糖等，还有的溶剂在实验之前依据超纯水进行配置，同时在没有特殊规定的情况下，都需要在氮气的保护下进行工作。第二，实验过程。碳管要依据三比一的配例融合浓硫酸和浓硝酸超声八个小时，离心水洗到中性之后，分散到水中，以此获取有效的溶液。在+4.0 V的沉积电位下，恒电位沉积一百秒之后获取有效的载体膜【3】。 （二）结果和研究 通过实验操作整体的研究与分析，其技术具备的电催化性能，主要是葡萄糖电氧化为依据，观察了复合电极素材的电化学性能。结合