介孔二氧化硅微球的制备及其凝胶复合电解质应用研究
发布时间：2020-12-11 23:57
新能源技术的可持续发展是当今世界亟待解决的问题之一,而随着研究的进一步深入,为锂金属电池电解质开发具有良好电化学活性的新型无机纳米填料颗粒成为了研究热点。二氧化硅本身具有良好的物理化学性质,在电化学领域具有极高的研究价值。介孔二氧化硅微球不仅拥有二氧化硅本身无毒、无味和环境友好的性质,还具有较高的比表面积和复杂的孔隙结构。因此,为锂金属电池电解质设计具有促进电化学性能的介孔二氧化硅填料成为了研究的新方向。本文将传统的St?ber法进行进一步调整,得到了具有两种不同结构特征的二氧化硅纳米颗粒,拓展了其在电化学领域的应用,为电解质填料结构设计进一步提供了设计意义。本文研究重点如下:1)通过调整St?ber法,加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为模板剂,三乙醇胺(TEAH3)作为矿化剂,由正硅酸乙酯(TEOS)水解得到了复合微球,通过煅烧除去模板最终得到了杨梅状结构的Si O2微球。通过BET测试发现其具有超高的比表面积,在聚合物电解质中作为填料使用时,有望促进锂盐的解离,从而提高锂金属电池的电化学性能。2)进一步调整Si O2的合成环境,大幅减少了矿化剂的使用和加入十二烷基磺酸钠(SD...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米几何结构分类示意图[2]
岣坏慕榭捉峁梗ㄈ缥扌蜃础⒊娑醋础⒘?切巍⒘?方形和层状结构等）和整体形貌（球体、中空球体、纤维和管状等）。近年来，为了制备特定的MSNs，大量研究集中在表面活性剂与二氧化硅之间的相互作用上。结果表明，表面活性剂-二氧化硅纳米复合材料是通过有机和无机组分的相互作用匹配而自发组装的。材料的形态和尺寸取决于表面活性剂与二氧化硅自组装的热力学和溶胶-凝胶化学动力学（例如反应温度，水含量和反应溶液的pH值）。通过控制自组装和二氧化硅缩合速率，可以调整MSNs的尺寸，介孔结构和形态。1.2.1.1电荷调节法图1-2pH值对二氧化硅缩合速率，二氧化硅种类表面上的电荷性质和电荷密度的影响[12]Figure1-2TheeffectofpHonthecondensationrateofsilica,thenatureofthechargeonthesurfaceofthesilicaspeciesandthechargedensity硅烷的水解速率和硅氧烷键的缩合速率都强烈依赖于二氧化硅的电荷状态。而合成溶液的pH值是影响二氧化硅电荷种类的重要因素。硅烷中Si-OR键的水解可被酸和碱催化。在pH中性条件下其速率最低。pH值与电荷密度和硅烷缩合速率的关系如图1-2所示[12]。在pH值低于二氧化硅的等电点（IEP=2.0）时，
合反应如方程1-1：-Si-O-+HO-Si-→-Si-O-Si-+OH-（1-1）由于反应的亲核作用，缩合速率会随着带负电荷硅酸盐的增加而增加，因此当pH<7.5时，缩合速率在图1-2中表现出与电荷密度平行的趋势。但是，由于硅酸盐在较高pH值下逐渐不稳定，缩合速率在pH值为7.5时达到最大值并在之后降低。在大多数MSNs的合成中，缩合反应都是在pH>10.5的条件下进行的，此时的硅酸盐已经溶解在水溶液中。而当pH>12以后，由于硅酸盐和阳离子表面活性剂之间的强相互作用，表面活性剂-硅酸盐额复合物可以稳定存在，而不是使溶解硅酸盐（图1-2）。图1-3以阳离子表面活性剂为模板制备介孔二氧化硅纳米粒子的快速自组装方法[14]Figure1-3Arapidself-assemblymethodforpreparingmesoporoussilicananoparticlesusingcationicsurfactantsastemplates因此，Mann的研究小组[14]和Lin的研究小组[15]使用快速水解pH值的方法，使用预水解正硅酸四乙酯（TEOS）制备MSNs。例如，先将合成环境的pH值控制在二氧化硅等电点附近（2.0），缓慢的二氧化硅缩合速率以及硅酸盐物质与阳离子表面活性剂之间的弱相互作用为形成无沉淀的二氧化硅-表面活性剂核提供了有利的条件（图1-3）。通过将pH值迅速提高到6.0-9.0，使二氧化硅与阳
本文编号：2911461
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米几何结构分类示意图[2]
岣坏慕榭捉峁梗ㄈ缥扌蜃础⒊娑醋础⒘?切巍⒘?方形和层状结构等）和整体形貌（球体、中空球体、纤维和管状等）。近年来，为了制备特定的MSNs，大量研究集中在表面活性剂与二氧化硅之间的相互作用上。结果表明，表面活性剂-二氧化硅纳米复合材料是通过有机和无机组分的相互作用匹配而自发组装的。材料的形态和尺寸取决于表面活性剂与二氧化硅自组装的热力学和溶胶-凝胶化学动力学（例如反应温度，水含量和反应溶液的pH值）。通过控制自组装和二氧化硅缩合速率，可以调整MSNs的尺寸，介孔结构和形态。1.2.1.1电荷调节法图1-2pH值对二氧化硅缩合速率，二氧化硅种类表面上的电荷性质和电荷密度的影响[12]Figure1-2TheeffectofpHonthecondensationrateofsilica,thenatureofthechargeonthesurfaceofthesilicaspeciesandthechargedensity硅烷的水解速率和硅氧烷键的缩合速率都强烈依赖于二氧化硅的电荷状态。而合成溶液的pH值是影响二氧化硅电荷种类的重要因素。硅烷中Si-OR键的水解可被酸和碱催化。在pH中性条件下其速率最低。pH值与电荷密度和硅烷缩合速率的关系如图1-2所示[12]。在pH值低于二氧化硅的等电点（IEP=2.0）时，
合反应如方程1-1：-Si-O-+HO-Si-→-Si-O-Si-+OH-（1-1）由于反应的亲核作用，缩合速率会随着带负电荷硅酸盐的增加而增加，因此当pH<7.5时，缩合速率在图1-2中表现出与电荷密度平行的趋势。但是，由于硅酸盐在较高pH值下逐渐不稳定，缩合速率在pH值为7.5时达到最大值并在之后降低。在大多数MSNs的合成中，缩合反应都是在pH>10.5的条件下进行的，此时的硅酸盐已经溶解在水溶液中。而当pH>12以后，由于硅酸盐和阳离子表面活性剂之间的强相互作用，表面活性剂-硅酸盐额复合物可以稳定存在，而不是使溶解硅酸盐（图1-2）。图1-3以阳离子表面活性剂为模板制备介孔二氧化硅纳米粒子的快速自组装方法[14]Figure1-3Arapidself-assemblymethodforpreparingmesoporoussilicananoparticlesusingcationicsurfactantsastemplates因此，Mann的研究小组[14]和Lin的研究小组[15]使用快速水解pH值的方法，使用预水解正硅酸四乙酯（TEOS）制备MSNs。例如，先将合成环境的pH值控制在二氧化硅等电点附近（2.0），缓慢的二氧化硅缩合速率以及硅酸盐物质与阳离子表面活性剂之间的弱相互作用为形成无沉淀的二氧化硅-表面活性剂核提供了有利的条件（图1-3）。通过将pH值迅速提高到6.0-9.0，使二氧化硅与阳
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