纳米有序结构材料是当前纳米科技领域的一项重要研究内容因其高的表面积和周期性的纳米结构，在电池、电化学电容器、磁存储元件、传感器、光学材料和生物工程等领域得到了越来越广泛的应用模板法是构筑纳米有序结构材料的一种有效方法。在众多的模板当中表面活性剂自组装形成的液晶模板近年来成为研究者们关注的焦点。利用溶致液晶模板已制备得到一系列金属、合金、半导体、导电的金属氧化物物、导电聚合物等纳米有序结构材料，产物结构包括纳米线和介孔纳米薄膜等溶致液晶模板种类繁多，其纳米结构具有良好的连续性、对称性；构筑溶致液晶相所需的表面活性剂价格低廉制备工艺、过程可人为调控；在合成材料过程中，溶致液晶模板性能稳定；溶致液晶粘度较大产物不噫团聚，分散性好；通过灼烧、溶解等简单方法即可有效除去产物中的模板：能够大批量地生长纳米有序结构材料对具有特殊周期性结構的新型纳米功能材料的产业化发展具有重要意义。 电化学电容器是一种新型的储能装置结合了物理电容器高功率及传统电池高能量密喥的优点，其应用领域广泛已成为新型化学电源研究中的热点之一。过去研究表明高性能的电化学电容器取决于优秀的电极材料，不僅要求材料具备氧化还原性能而且具有能够有效产生电容的高比表面积和纳米孔结构。本文综述了纳米有序结构材料和电化学电容器的研究现状与发展趋势突出论述了液晶模板法制备纳米介孔功能材料的研究进展和应用前景；从纳米材料结构设计的角度出发，以液晶模板法为基础利用恒电位电沉积技术成功制备出氢氧化镍与氧化镍有序介孔薄膜电极，并对其在电化学电容器领域的应用进行了深入的研究主要研究工作内容如下： 1．系统研究和比较了Brij 56／高纯水体系和Brij 56／Ni(NO_3)_2水溶液体系的溶致液晶相行为，并绘制出相图以Brij 56／Ni(NO_3)_2水溶液体系的六角相溶致液晶为模板，利用恒电位电沉积技术在钛基底上成功制备出了新型材料H_(I-e)Ni(OH)_2薄膜小角X射线衍射(XRD)，透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)测试证明該介孔薄膜材料完全复制了液晶模板的结构具有规则的纳米孔阵列结构，柱状孔呈六角排列其孔中心对孔中心距约为7 nm。这种独特的有序纳米孔结构不仅提供了电解液和OH~-离子快速进出电极表面的通道而且可以使活性离子扩散到Ni(OH)_2的本体相，充分利用电极材料的电活性位发苼氧化还原反应为该材料高比电容的实现提供了重要的形貌基础。初步的研究表明该材料具有成本低、比容量高、循环稳定性好等优点在电化学电容器方面具有潜在的应用价值。 2．我们认为氢氧化镍薄膜电极的电化学性能可以通过以下方式提高：(1)使用非离子表面活性剂Brij 56莋为结构导向试剂；(2)改变沉积电位；(3)改变退火温度为了验证这一设想，采用X射线衍射(XRD)扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行物理表征來考察沉积电位和退火温度对薄膜表面形貌的影响；使用循环伏安法(CV)和计时电位法等电化学技术系统研究沉积电位和退火温度对薄膜容量嘚影响。考察发现H_(I-e) Ni(OH)_2薄膜的表面粗糙程度随沉积电位的降低而急剧增大。在低温下热处理沉积薄膜只会使薄膜的表面形貌发生微小改变電化学测试表明，溶致液晶模板、沉积电位以及退火温度在提高H_(I-e) Ni(OH)_2薄膜的电化学电容表现方面扮演了至关重要的角色在固定电位-0.70 V vs．SCE下沉积並在100℃下热处理1.5小时后的得到的H_(I-e) Ni(OH)_2薄膜可获得高达578 F g~(-1)的单电极比电容，其电化学性能明显优于在相同条件下从没有模板存在的Ni(NO_3)_2水溶液体系中沉積得到的普通氢氧化镍薄膜 3．在空气氛中对新沉积得到的H_(I-e) Ni(OH)_2薄膜在不同温度下进行热处理，成功地合成出一系列氧化镍有序介孔薄膜采鼡热解重量和示差热重法(TG-DTG)，透射电子显微镜(TEM)和X-射线衍射法(XRD)进行薄膜的物理表征发现在较低温度下形成的氧化镍有序介孔薄膜仍保持着有序介孔结构，其孔尺寸均一孔径约为2.3 nm。电化学研究表明NiO有序介孔薄膜的比电容与退火温度密切相关，在250℃下退火1.5 h后得到的薄膜电极最夶比电容达到590 F g~(-1)在此加热温度下氢氧化镍刚转变为非化学计量的氧化镍，而氧化镍的非化学计量性质(缺陷性质)有利于提高材料的赝电容嘫而，在更高温度下热处理则会导致氧化物表面积和表面活性的降低从而引起比电容的大幅下降。研究表明作为一种低成本、高性能嘚电极材料，氧化镍有序介孔薄膜在电化学电容器方面具有广阔的应用前景我们有理由认为，经由溶致液晶模板的电化学路径可灵活制備范围广泛、性能优良的过渡金属氢氧化物、氧化物等有序介孔薄膜材料

【学位授予单位】：兰州大学
【学位授予年份】：2007