掺杂及碳包覆型二氧化钛纳米材料光催化及锂电特性概述

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1、掺杂及碳包覆型二氧化钛纳米材料光催化及锂电特性概述第一章文献综述1.1引言自上个世纪二氧化铁开始商品化以来，其一直被广泛应用在多个领域，如天然色素、遮光剂、药膏、牙膏等领域。1972年，Fujishima⑴等首次报道了氧化钛电极在UV光线照射下分解水的现象，从此以后，科学工开始投入大量的时间精力研究二氧化钛材料。目前，在光电子、光电装换、光催化以及传感器等领域提出了众多有潜在价值的应用，随着纳米科学与技术的迅猛发展，当材料的尺寸减小以后，比表面积增大。二氧化钛纳米管或者纳米线与其他形式的纳米材料相比具有更高的比表面积和更强的表面吸附的能力，在光催化领域、传感、太阳能电池

2、、锂电池材料等方面开始进入应用。钛元素是地壳中元素含量处于第九位的元素[2],而二氧化钛是其最常见的化合物形式之一，由于其具有优良的物理和化学性质，广泛应用于各个领域，如防腐烛领域、自清洁涂层、太阳能电池、光催化、环境治理等领域[3]。纳米结构二氧化钛材料具有典型的一维纳米结构，维度尺寸通常小于100mn，近年来受到了科研工的广泛专注。这类材料的纳米结构包括球状纳米晶体，纳米粒子、长径比大的纳米管、纳米纤维、纳米片层等结构。尽管非碳纳米管在1990年之前就已经被报道了，但是关于这类非碳纳米管的合成与表征方面的研究却是寥寥无几。直到1991年碳纳米管的发现，科研工才开始对

3、管状结构的一维纳米材料给予极大的关注。这种材料在多个领域具有潜在的应用价值，特别是光电场效应领域。其他类型的纳米管与碳纳米管相比，具有更多样化的化学性质，可在多个领域有潜在的应有价值，通常具有非常特殊的物理化学性质，并且与碳纳米管相比，合成方法更简便。这些特点和相当低的合成成本推动非碳纳米管在各个技术领域蓬勃发展。1.2纳米材料的特征20世纪九十年代以后,科研工主要发展了三种二氧化钛纳米管的制备方法：化学模板合成法、电化学氧化法和碱性水热法。碱性水热法可以制备质子化钛酸纳米管，而不是获得二氧化钛，这种结构也可以称作是水合二氧化钛。因为到目前为止这种材料的具体组成结构仍然

4、存有争议，所以这种管状结构既可以称作质子化钛酸也可以称作二氧化钛纳米材料。钛酸纳米管既具有传统二氧化铁的特性和用途，如宽禁带半导体、光催化剂)，又具有层状钛酸盐的特性(离子交换能力）。近几年来，随着技术的发展，越来越多的研究报道了该类材料的特殊物理化学性质、特定用途。在过去的几十年中，模板法合成纳米结构材料得到了极大的发展[4]，这种方法主要利用已知形貌和性质的材料作为模板去制备出具有该类材料形貌的新型结构，如反应沉积法、溶液法。该方法具有较大的通用性，通过调整模板材料的形貌，可以制备出多种具有特定且可控形貌的纳米微米材料新型材料。这一方法的缺点是大多数情况下，模板在合

5、成完成之后会被破坏掉，从而导致材料合成的成本增加。在进行表面修饰的情况时，保持界面的高度洁净非常关键，这可以增加基底与表面涂层的粘合力。..第二章层状铁酸纳米管的制备与热性能研究2.1实验部分自从1998年Kasuga首次报道了二氧化钛纳米管以来，关于二氧化钛纳米管改性研究就引起了越来越多的关注。目前釆用水热法制备钛酸纳米管前驱体，后经热处理过程制备二氧化钛纳米管成为制备二氧化铁纳米管的主要途径之一。但是铁酸纳米管在高温热处理(>400°C)发生相变时会因为晶格结构的变化导致纳米管破碎，从而无法得到管状结构二氧化钛，目前解决这一缺陷的方法之一就是采用捆绑剂

6、来减少热处理过程中的管壁破碎现象，保证在热处理过程中发生相变时由于捆绑剂的作用获得形貌良好的二氧化钛纳米管结构，本章将研究捆绑剂聚甲基氢桂氧烧(PMHS)对钦酸纳米管的作用效果以及其与桂碳复合之后材料的锂电性能。钛酸纳米管的合成按照以前文献报道的方法进行：首先，称取8g锐铁矿型Ti02粉末加入80mLNaOH(10M)溶液中，然后将该悬池液超声揽拌30min,尽可能使TiCb颗粒均匀分散于NaOH溶液中，将该悬独液转移到带聚四氟乙烯(PTFE)内衬的100mL水热爸中于150°C条件下反应48he将所得沉淀产物(钛酸钠)用大量蒸馆水冲洗以除去剩余的NaOH，然后

7、用0.1MHC1溶液2L对所得铁酸钠进行离子交换以获得钛酸纳米管，后用蒸懷水反复冲洗直至pH=7，最后将产物置于8°C烘箱中烘干12h，收集备用。.2.2结果与讨论图2.1所示为水热反应所得钛酸钠和钛酸的谱图，从图中可以得出，水热反应得到的产物钛酸钠(图2.2b)的衍射峰位与层状钛酸盐结构(JCPDSCard47-0124)吻合，层状结构钛酸盐的内层间距特征峰主要与角度(20=10°)处的衍射峰相对应，其对应单斜晶系钛酸的(200)衍射峰。经0.1M稀盐酸置换后，钛酸钠中的钠离子被氢离子替代，得到钛酸纳米管，XRD谱图如图