石墨烯与氧化物复合材料的制备及其光电性能的研究

发布时间：2017-03-26 16:05

  本文关键词：石墨烯与氧化物复合材料的制备及其光电性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着能源短缺和环境恶化,开发新型清洁能源已经迫在眉睫,锂离子电池具有能量密度大,工作电压高,循环寿命长等优点,越来越受到研究者们的重视。近年来,由于石墨烯具有大的比表面积和良好的导电性,与其他材料复合形成纳米复合材料电池用作锂离子电池的负极材料,既可以克服传统材料自身的缺点,同时发挥了石墨烯材料的特有性质。因此石墨烯基复合材料在催化剂、光电和储能等领域都有很好的应用前景。在紫外光的照射下,二氧化钛可以分解难降解、有毒有害的污染物,并且二氧化钛廉价、无毒、不会产生二次污染,受到广泛研究和应用。然而未经优化处理的二氧化钛材料带隙较宽,光生载流子容易复合,极大地影响了二氧化钛的光催化性能。本文利用石墨烯良好的导电性和空心结构的优点,把石墨烯-二氧化钛空心球纳米复合材料作为研究对象,在实验过程中制备了不同比例的石墨烯-二氧化钛空心球纳米复合材料,并研究了光催化性能和电学性能。二氧化锡作为锂离子电池负极材料具有高的理论容量(790 m Ahg-1),没有记忆效应,对环境无污染。但在长时间充放电条件下,二氧化锡体积膨胀严重,电子电导率变差,导致其循环稳定性和倍率性能变差。因此,纯二氧化锡不适合实际应用。本文制备了石墨烯-Sn O2-Ti O2纳米复合材料,引入石墨烯既能提高电导率,又能减少二氧化锡纳米颗粒的团聚。而二氧化钛纳米颗粒可以形成更多的空间,可以缓冲二氧化锡的体积膨胀,从而提高石墨烯-Sn O2-Ti O2纳米复合材料的电化学性能。(1)采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯,并对氧化石墨烯进行形貌结构的表征。通过透射电镜发现所制备的氧化石墨烯具有薄片结构并且有褶皱,氧化石墨烯并不是单层的而是由几层组成。(2)利用石墨烯良好的导电性和二维立体结构,以氢氧化钛为前驱体,采用一步水热法还原氧化石墨烯并制备了石墨烯-二氧化钛空心球纳米复合材料。结果表明所制备的纳米复合材料中二氧化钛为空心球结构,空心球的直径小于20nm,空心部分的直径大约为3-5 nm,石墨烯和二氧化钛很好的复合在了一起,石墨烯-二氧化钛空心球纳米复合材料的比表面积为111m2g-1。(3)实验过程中改变石墨烯的量,合成G0-Ti O2、G0.5-Ti O2、G1-Ti O2、G2-Ti O2和G5-Ti O2这六种不同重量比的石墨烯-二氧化钛空心球纳米复合材料。对比研究它们的光催化性能和电化学性能。研究表明G1-Ti O2这一复合比例的纳米复合材料具有最好的光催化性能,光催化降解亚甲基蓝25 min后,可以达到98.02%,光催化降解甲基橙30min后,可以达到99%。所制备的G1-Ti O2这一复合比例的纳米复合材料具有最好的循环稳定性,在充放电倍率为0.2C下循环100圈后,比容量达到217.2 m Ahg-1,远高于二氧化钛的理论容量(168 m Ahg-1)。(4)以SnCl2·2H2O为原料,通过水热法合成了石墨烯-SnO2复合材料,研究了石墨烯的复合对二氧化锡的微观纳米结构和电化学性能的影响。实验结果表明,Sn O2纳米颗粒在石墨烯的表面分散的不均匀,有明显的团聚现象,Sn O2纳米颗粒粒径约为5 nm,石墨烯-Sn O2复合材料表现出良好的循环稳定性,在充放电倍率为0.2C下,循环50圈后,比容量为1024 m Ahg-1。(5)以钛酸四丁酯和Sn Cl2·2H2O为原料,采用溶剂热结合水热两步法合成石墨烯-Sn O2-Ti O2三元纳米复合材料,研究它们的微观纳米结构和电化学性能。实验结果表明,在加入极少量Ti O2后,Sn O2纳米颗粒和石墨烯很好的复合在了一起,并且没有发生团聚,Sn O2纳米颗粒粒径约为5 nm,石墨烯-Sn O2-Ti O2三元复合材料表现出较高的可逆容量和更好的循环稳定性,在充放电倍率为0.2C下,循环50圈后,比容量为1073 m Ahg-1。
【关键词】：石墨烯 二氧化钛 二氧化锡 光催化 锂离子电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 光催化概述13-14
• 1.2 锂离子电池的概述14-15
• 1.2.1 锂离子电池的工作原理14
• 1.2.2 锂离子电池的特点14-15
• 1.3 锂离子电池负极材料的概述15-18
• 1.3.1 锂离子电池负极材料的特点15
• 1.3.2 碳负极材料15-17
• 1.3.3 锂合金材料17
• 1.3.4 过渡金属氧化物材料17-18
• 1.4 石墨烯18-24
• 1.4.1 石墨烯的性质19-20
• 1.4.2 石墨烯的制备20-24
• 1.5 石墨烯基复合材料24-26
• 1.5.1 石墨烯/聚合物复合材料24-25
• 1.5.2 石墨烯-纳米颗粒复合材料25-26
• 1.6 本课题的研究目的和主要内容26-29
• 第二章 实验部分29-35
• 2.1 实验药品及仪器29-31
• 2.1.1 实验药品29-30
• 2.1.2 实验仪器30-31
• 2.2 实验样品的表征31-32
• 2.2.1 X射线粉末衍射(XRD)31
• 2.2.2 透射电子显微镜(TEM)31
• 2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)31
• 2.2.4 氮吸脱附(BET)31
• 2.2.5 傅立叶红外光谱(FT-IR)31-32
• 2.2.6 拉曼光谱(Raman)32
• 2.3 光催化性能测试32
• 2.4 电化学性能测试32-35
• 2.4.1 电极的制备和电池的组装32-33
• 2.4.2 充放电测试33
• 2.4.3 循环伏安特性测试33-34
• 2.4.4 交流阻抗测试34-35
• 第三章 二氧化钛与石墨烯复合材料的制备及性能研究35-55
• 3.1 前言35-36
• 3.2 二氧化钛和石墨烯复合材料的制备36-38
• 3.2.1 石墨烯(GO)的制备36-37
• 3.2.2 二氧化钛和石墨烯空心球纳米复合材料的制备37-38
• 3.3 样品的表征38-45
• 3.3.1 X射线衍射分析38-40
• 3.3.2 透射电镜分析40-41
• 3.3.3 扫描电镜分析41-42
• 3.3.4 比表面积和孔径分布42-43
• 3.3.5 红外光谱分析43-44
• 3.3.6 拉曼(Raman)分析44-45
• 3.4 样品的光催化性能研究45-48
• 3.4.1 紫外光催化降解亚甲基蓝45-47
• 3.4.2 紫外光催化降解甲基橙47-48
• 3.4.3 石墨烯增强二氧化钛光催化性能机理研究48
• 3.5 样品的电化学性能研究48-53
• 3.6 本章小结53-55
• 第四章 二氧化锡与石墨烯-二氧化钛复合材料的制备及其性能研究434.1 引言55-69
• 4.2 样品的制备56-58
• 4.2.1 氧化石墨烯的制备56
• 4.2.2 石墨烯-二氧化钛纳米复合材料的制备56-57
• 4.2.3 石墨烯-SnO2-TiO2纳米复合材料的制备57-58
• 4.2.4 石墨烯-Sn O2纳米复合材料的制备58
• 4.3 样品的表征58-63
• 4.3.1 X射线衍射分析58-60
• 4.3.2 扫描电镜分析60-61
• 4.3.3 透射电镜分析61
• 4.3.4 拉曼分析61-62
• 4.3.5 红外光谱分析62-63
• 4.4 样品的电化学性能分析63-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 总结和展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-81
• 硕士期间发表的论文81-83
• 致谢83

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