一维二氧化钛纳米材料的制备、改性及性能研究

发布时间：2017-04-30 18:07

  本文关键词：一维二氧化钛纳米材料的制备、改性及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着便携式电子产品和电动汽车的发展和普及,人们急需一种可以快速充放电、密度小、安全可靠的电极材料。二氧化钛作为一种价廉易得、稳定环保的无机半导体材料,在锂电池和光催化等能源与环境领域都有很多应用。二氧化钛所具有的四种晶型中,锐钛矿相和金红石相的催化能力比较高,板钛矿属于锐钛矿和金红石相的过渡相,合成比较困难,所以研究的比较少。B型(Bronze青铜型)二氧化钛,即TiO2(B),晶体结构内部空隙比较多,结构稳定,在作为快速充放电锂电池电极材料方面具有一定优势。超长纳米管状的二氧化钛具有电子传输距离长,内部结构空隙多,为锂离子的迁移提供了通道,同时一维结构往往具有较高的比表面积,对光催化反应活性的提升和锂离子的嵌入脱出均有较好的促进作用。本文在制备超长二氧化钛纳米管纤维,并对其反应条件进行探究的基础上,针对二氧化钛的一维结构进行了以下工作。1、采用两种不同的包覆方法制备出由碳层单根包覆的C/Ti O2和石墨烯片状包覆的RGO/TiO2。合成的C/TiO2复合材料比容量(238 mAh/g)与二氧化钛(222 mAh/g)相比有一定提高。但是由于碳层对锂离子嵌入脱出行为的阻碍,在高倍率条件下C/TiO2复合材料比容量明显降低。随着碳层的增厚,复合材料的比容量进一步下降。而制备的RGO/Ti O2复合材料比容量(289 mAh/g)显著提高,在较高的倍率(5 C)下依然有较高的比容量(148 mAh/g),与相同倍率下二氧化钛(96 mAh/g)的比容量高出54%,在15 C的倍率下RGO/TiO2复合材料的比容量依然可达到88 mAh/g。2、采用二次水热法制备出二氧化钛纳米针,通过加入无机酸改变二次水热反应的pH值来调控二氧化钛的晶型比例,通过调节搅拌速率来调控纳米针的长径比。在静置状态下二氧化钛纳米针的长度约为100 nm,而在500 rpm和900 rpm转速下形成的二氧化钛纳米针长度可达600 nm和1.2μm。光催化性能测试表明pH=0.5时制备的纳米针催化性能较好。在500 rpm搅拌中形成的二氧化钛纳米针(109.81 m2/g)与静置状态下制备的纳米针(26.67 m2/g)相比,显示出了更好的光催化性能。
【关键词】：B型TiO2 一维TiO2 石墨烯 锂电池 光催化
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 引言11-25
• 1.1 二氧化钛简介11-14
• 1.1.1 锂电池基本原理和半导体光催化基本原理11-13
• 1.1.2 二氧化钛晶体结构及相关应用13-14
• 1.2 二氧化钛纳米管的制备方法14-17
• 1.2.1 电化学合成14-16
• 1.2.2 化学模板合成法16-17
• 1.2.3 碱液水热处理法17
• 1.3 石墨烯简介17-19
• 1.3.1 炭材料发展历程17-18
• 1.3.2 石墨烯的结构18-19
• 1.4 石墨烯的制备19-22
• 1.4.1 机械剥离法19
• 1.4.2 化学氧化还原法19-20
• 1.4.3 金属衬底上化学气相沉积法(CVD)20-21
• 1.4.4 碳化硅热解法21-22
• 1.5 二氧化钛与碳材料的复合22-23
• 1.5.1 水热法22
• 1.5.2 光催化还原法22-23
• 1.5.3 共热法23
• 1.6 本文的构思及意义23-25
• 第2章 二氧化钛纳米管的制备及条件优化25-36
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验药品与实验仪器26-27
• 2.2.1 主要实验药品试剂26
• 2.2.2 主要的实验仪器设备26-27
• 2.2.3 反应装置27
• 2.3 二氧化钛纳米管的制备27-28
• 2.3.1 超长钛酸盐纳米管的制备27
• 2.3.2 超长二氧化钛纳米管的制备27-28
• 2.3.3 二氧化钛纳米管束长度、直径的调控28
• 2.4 形貌和晶型等的表征28-29
• 2.4.1 X-射线衍射分析(XRD)28
• 2.4.2 扫描电镜分析(SEM)28-29
• 2.4.3 透射电镜分析(TEM)29
• 2.4.4 红外光谱分析(FT-IR)29
• 2.4.5 比表面积分析29
• 2.5 结果与讨论29-35
• 2.5.1 二氧化钛纳米管的XRD分析29-30
• 2.5.2 二氧化钛纳米管的结构分析30-31
• 2.5.3 二氧化钛纳米管的形貌分析31-32
• 2.5.4 二氧化钛纳米管的红外图谱分析32-33
• 2.5.5 二氧化钛纳米管的脱吸附曲线分析33
• 2.5.6 水热反应条件对二氧化钛纳米管形貌的影响33-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 碳包覆超长二氧化钛纳米管的制备36-53
• 3.1 引言36
• 3.2 实验药品试剂与实验仪器设备36-38
• 3.2.1 主要的实验药品36-37
• 3.2.2 主要的实验仪器37-38
• 3.3 C/TIO2纳米管的制备38-39
• 3.3.1 制备钛酸盐纳米管(Na-TiO)38
• 3.3.2 制备氧化石墨烯(GO)38
• 3.3.3 以聚乙二醇为碳源的C/TiO_2纳米管的制备38-39
• 3.3.4 以氧化石墨烯为碳源的RGO/TiO_2纳米管的制备39
• 3.3.5 纽扣电池的制作39
• 3.4 表征和测试39-40
• 3.4.1 X-射线衍射分析(XRD)39
• 3.4.2 扫描电镜分析(SEM)39
• 3.4.3 透射电镜分析(TEM)39
• 3.4.4 倍率性能测试39-40
• 3.4.5 阻抗分析(EIS)40
• 3.5 结果与讨论40-51
• 3.5.1 碳包覆二氧化钛纳米管的晶型分析(XRD)40-41
• 3.5.2 碳包覆二氧化钛纳米管的形貌分析(TEM, SEM)41-44
• 3.5.3 碳包覆二氧化钛纳米管的碳含量检测(EDS)44-46
• 3.5.4 碳包覆二氧化钛纳米管的电化学储能性能检测46-51
• 3.6 本章结论51-53
• 第4章 二氧化钛纳米针的制备及性能测试53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 试验药药品与实验仪器53-54
• 4.2.1 主要实验药品试剂53-54
• 4.2.2 主要的实验仪器设备54
• 4.3 超长二氧化钛纳米针的制备54-55
• 4.3.1 超长钛酸盐纳米管的制备54
• 4.3.2 二氧化钛纳米针的制备54-55
• 4.4 表征和测试55
• 4.4.1 X-射线衍射分析(XRD)55
• 4.4.2 扫描电镜分析(SEM)55
• 4.4.3 透射电镜分析(TEM)55
• 4.4.4 催化性能测试55
• 4.6 结果与讨论55-61
• 4.6.1 二氧化钛纳米针的晶型分析55-57
• 4.6.2 二氧化钛纳米管的形貌分析57-59
• 4.6.3 二氧化钛纳米管的等温吸脱附曲线分析59-61
• 4.7 本章小结61-62
• 第5章 全文总结62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 创新点63
• 5.3 不足与展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录70

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