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Ni基一维纳米阵列的可控制备及电催化性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续攀升以及环境问题日益严峻的大背景下，发展高效的能源转换与储存技术成为当务之急。电催化技术作为这一领域的核心手段，在电解水制氢、燃料电池等关键应用中扮演着举足轻重的角色。电解水制氢能够将电能转化为化学能并以氢气的形式储存，氢气燃烧产物仅为水，是一种理想的清洁能源；燃料电池则可实现化学能到电能的高效转化，广泛应用于交通运输、分布式发电等领域，具有高效、低排放的显著优势。

在众多电催化材料中，Ni基材料因其成本相对较低、具备良好的导电性以及展现出优异的电催化活性，成为替代贵金属催化剂的热门选择。然而，传统的Ni基催化剂存在诸多亟待解决的问题，如活性位点数量有限，无法充分满足电催化反应对活性中心的需求，导致催化效率难以提升；结构稳定性欠佳，在电催化反应的苛刻条件下（如高电位、强酸碱环境、大电流密度等），容易发生结构变化、溶解或团聚等现象，进而使催化剂失活，极大地限制了其实际应用范围和使用寿命。

为了克服这些问题，科研人员将目光聚焦于一维纳米阵列结构。一维纳米阵列结构，如纳米线、纳米棒等，具有独特的物理化学性质。其高比表面积能够提供丰富的活性位点，增加反应物与催化剂表面的接触机会，从而提高反应速率；定向的电子传输路径则有助于电子的快速传导，降低电荷转移电阻，提升电催化反应的动力学性能；此外，丰富的活性位点不仅能加速反应进程，还能对反应的选择性产生积极影响，使催化剂更有利于特定反应的进行。因此，构建Ni基一维纳米阵列结构，成为提升Ni基材料电催化性能的关键研究方向，对于推动电催化技术在能源领域的实际应用具有重要的现实意义。

1.2研究目标与核心问题

本研究旨在实现Ni基一维纳米阵列的可控制备，并深入探究其在电催化领域的性能表现。针对Ni基一维纳米阵列的可控合成及催化性能优化这一核心任务，聚焦于制备过程中多个关键因素与催化活性之间的构效关系。在形貌调控方面，研究如何精确控制纳米阵列的尺寸、形状和取向，以获得最有利于电催化反应的结构；表面修饰则关注通过不同的修饰方法和修饰物种，改变纳米阵列表面的化学组成和电子结构，进而提升其催化活性和稳定性；而这些因素与催化活性之间的内在联系，即构效关系的研究，是理解和优化Ni基一维纳米阵列电催化性能的关键所在。

同时，探索Ni基一维纳米阵列在析氢反应（HER）、析氧反应（OER）及尿素电氧化等典型电催化反应中的应用潜力。析氢反应是电解水制氢的关键半反应，高效的HER催化剂能够降低制氢成本，推动氢能的大规模应用；析氧反应同样是电解水过程以及许多能量转换装置中的重要反应，其反应动力学缓慢，开发高性能的OER催化剂对于提高能源转换效率至关重要；尿素电氧化反应在尿素传感器、废水处理以及新型能源器件等方面具有潜在的应用价值，研究Ni基一维纳米阵列在该反应中的性能，有助于拓展其应用领域。通过对这些典型电催化反应的研究，全面评估Ni基一维纳米阵列的电催化性能，为其实际应用提供坚实的理论和实验基础。

二、Ni基一维纳米阵列的可控制备方法

2.1模板辅助定向合成技术

2.1.1阳极氧化铝（AAO）模板法

阳极氧化铝（AAO）模板法是制备Ni基一维纳米阵列的常用且有效的手段，该方法能精确调控纳米结构的尺寸与形貌。在制备过程中，采用两步阳极氧化法是获取高度有序AAO模板的关键。以高纯铝片为起始材料，首先将其置于酸性溶液中进行一次阳极氧化，这一步会在铝片表面形成一层初始的氧化铝膜，但此膜的孔洞结构往往不够规则。为了获得高度有序的模板，需要将一次氧化后的样品浸泡在特定的混合酸溶液中，如6wt％H?PO?＋1.8％H?CrO?的混合酸，以去除这层初始的氧化铝膜。接着，在相同的氧化条件下进行二次阳极氧化，经过长时间的反应，可得到高度有序的AAO模板，其孔洞呈规则的六边形排列，孔径均匀且分布密集，这为后续Ni基纳米线的生长提供了理想的模板环境。

以硝酸镍、氯化镍等作为前驱体，将其引入AAO模板的孔道内，通过电化学沉积或溶胶-凝胶法，使前驱体在孔道内发生化学反应并逐步生长为Ni基纳米线。在电化学沉积过程中，前驱体浓度、沉积电压和时间等参数对纳米线的形貌和尺寸有着至关重要的影响。当前驱体浓度在0.01-0.02mol/L的范围内，较低的浓度有利于形成较为细小且均匀的纳米线，因为此时溶液中离子浓度较低，成核速率相对较慢，使得纳米线能够在较为有序的环境中生长；而较高的浓度则可能导致纳米线的直径增大，且可能出现生长不均匀的情况。沉积电压在5-20V之间变化时，较低的电压下，离子迁移速度较慢，纳米线生长较为缓慢，但结晶质量较好；较高的电压则会加速离