鎳基能源材料的性能及同步輻射研究隨著全球范圍內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展,無論是工業(yè)的生產(chǎn)活動還是日常的生活需要對能源的供給提出了更高的要求。然而,傳統(tǒng)的化石能源在使用中不僅會釋放出CO2等氣體加劇溫室效應,還會導致霧霾等嚴重的環(huán)境問題。因此要做到可持續(xù)發(fā)展,就必須對現(xiàn)有的以化石能源為主的能源結構進行優(yōu)化調(diào)整。能源存儲技術與能源轉換技術的不斷持續(xù)的發(fā)展是這一目標得以實現(xiàn)的重要途徑。然而目前的能源材料存在著成本高昂、能源存儲密度低、能源轉換效率不夠高、安全性穩(wěn)定性不好等問題,這大大的限制了其在實際應用中的推廣。因此,為了進一步發(fā)展新型能源存儲和轉換材料,我們必須深入的研究材料內(nèi)部的組成、晶體結構、電子結構。只有對材料了解清楚,我們才能進一步的研究材料結構與能量存儲與能量轉換性能之間的構效關系,并用于指導合成性能更加優(yōu)異的能源存儲與轉換材料,從而實現(xiàn)對目前現(xiàn)有的能源供給結構的優(yōu)化。近年來隨著新一代同步輻射光源在世界各地的建成,同步輻射表征技術在能源材料領域的應用也越來越廣泛。同步輻射光具有極高的強度、良好的準直性、寬泛的頻譜分布等優(yōu)點,結合先進的同步輻射表征技術如XAFS,可以選擇性的得到吸收原子的精確電子結構、配位結構等信息,對于深入研究能源材料的構效關系具有重大的作用。在本文中,我們通過設計并可控合成鎳基能源材料為研究的切入點,通過使用合成策略調(diào)整、元素摻雜、載體結合等手段來進行新型能源材料的合成。在此基礎上,利用多種先進的同步輻射表征技術對材料原子的配位結構信息、電子結構信息、原子間的相互作用以及活性材料-載體界面相互作用進行了深層次,多角度的研究。通過結合能量存儲與能量轉換的各種相關表征,我們進一步揭示了材料內(nèi)部的微觀結構與其宏觀性能表現(xiàn)之間的關系。本論文的具體研究內(nèi)容如下:1.影響鋰電池正極材料的充放電性能的因素很多,傳統(tǒng)研究中研究者們大多只關心晶體結構,顆粒形貌等方面。本論文中以傳統(tǒng)材料LiMn2O4為模型材料,通過簡單的高溫燒結法進行合成并進行了Ni元素摻雜的研究,從軌道雜化與電子結構的角度來對模型材料的充放電性能改變進行解釋。我們首先通過Ni與Mn的K邊的EXAFS確認了材料中精確的短程有序信息。接著我們進一步通過Ni、Mn元素L2,3邊的XANES及理論模擬,證實了材料中Ni-O鍵的高離子性與Mn-O鍵的高共價性。經(jīng)過進一步的DFT計算結合O的K邊XANES結果,我們揭示了Ni離子的摻入引發(fā)了O離子參與下的電荷重新平衡過程,對整個材料體系的電子結構發(fā)生了影響,從而引發(fā)了電化學性能的巨大改變。該工作為設計制備下一代鋰離子電池材料提供了指導。2.為了驗證電子結構的調(diào)節(jié)對能源轉換材料的影響,我們利用兩步合成方法使用LDH為前驅體將V原子均勻的摻雜到了模型催化劑NiS2中,成功的制備了V摻雜的NiS2樣品。XRD和K邊的EXAFS的表征明確了V原子的替代位摻雜結構。XPS和XANES的結果證明了V原子的摻雜調(diào)制了樣品的電子結構,Ni上的電子濃度得到提高。更重要的是,我們結合理論的DFT計算以及變溫電阻的測試,證明了V原子的摻雜導致了NiS2發(fā)生了從半導體性到金屬性的轉變,從而大大的提高了催化劑的全水分解性能。該工作為通過調(diào)節(jié)電子結構來提高材料的能源轉換效率提供了思路。3.為了進一步的研究催化劑-載體相互作用對其整體電化學性能的影響。我們通過簡單的水熱方法將鎳鐵雙金屬氫氧化物(NiFe-LDH)負載到單壁碳納米管(SWNT)薄膜上,制備出了一種柔性的自支撐電極。電子顯微鏡的形貌表征證實了NiFe-LDH在SWNT薄膜表面的均勻生長。進一步的X射線近邊吸收結構(XANES)的表征表明NiFe-LDH與載體SWNT薄膜之間通過M-O-C鍵(M=Ni/Fe)形成了強烈的界面電子耦合作用。這種強烈的電子耦合不僅能夠提高催化劑的本征催