鈦基化合物納米材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、電化學(xué)新能源的應(yīng)用在人類生活中的重要性愈趨明顯，因此對(duì)電化學(xué)新能源材料的開發(fā)和研究意義變得更加重大。而目前較為成熟的材料在電化學(xué)新能源中的應(yīng)用均存在較嚴(yán)重的缺陷，因此尋找更加合適的材料對(duì)電化學(xué)新能源的推廣和應(yīng)用均具有重大意義。鈦基材料因其具有原料豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在鋰離子電池、超級(jí)電容器和燃料電池等電化學(xué)新能源領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。但目前鈦基材料的電化學(xué)研究尚不成熟，因此從電化學(xué)新能源應(yīng)用的角度來研究鈦基材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能

2、十分必要。本論文制備了非化學(xué)計(jì)量比的TiO2-x（x≥0）納米顆粒、TiN納米纖維球和TiC/C復(fù)合納米纖維等鈦基材料并研究了它們的電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　采用溶劑熱法、以鋅粉為還原劑，制備了非化學(xué)計(jì)量比的TiO2-x納米顆粒。當(dāng)改變前驅(qū)體中鋅粉的加入量時(shí)，溶劑熱后所制備材料的形貌、結(jié)構(gòu)和比表面積均未發(fā)生變化，但Ti3+的含量隨著鋅粉加入量的增加而增大。通過定量計(jì)算，得出Zn:Ti摩爾比為2％、4%和6%時(shí)所制備

3、的TiO2-x樣品中，Ti3+的含量分別為1.3%、4.0%和7.2%。材料中Ti3+的加入可以提高材料的電導(dǎo)率，因而改變了其在鋰離子電池中的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，加入Ti3+不僅提高了TiO2-x材料的平臺(tái)比容量，對(duì)界面發(fā)生的儲(chǔ)電容量亦有較大的改進(jìn)；同時(shí)，加入Ti3+對(duì)TiO2-x材料嵌鋰過程具有更大的促進(jìn)作用。材料的電化學(xué)性能如可逆容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)烈依賴于Zn:Ti摩爾比。通過測(cè)試對(duì)比，Zn:Ti摩爾比為4%時(shí)所制備的T

4、iO2-x材料的可逆容量最高，其性能遠(yuǎn)高于未還原的純TiO2材料。在100mA/g的電流密度下可逆容量達(dá)到了202.1mAh/g，3000mA/g的電流密度下達(dá)到79.1mAh/g，且在1000mA/g的電流密度下、50次循環(huán)過后其容量保持率達(dá)到了96%。
　　采用水熱法結(jié)合NH3氮化制備了花狀的TiN納米線微球。研究了水熱溶液中乙二醇的用量對(duì)材料形貌的影響，優(yōu)化出乙二醇與水的體積比為3:1時(shí)可制備出形貌良好的花狀納米線微球。接著

5、在高溫下N H3氣氛中制備出大小為3μm左右、由直徑為15-20nm的納米線組成的TiN微球。此外，系統(tǒng)研究了NH3氣氛下不同煅燒溫度對(duì)材料形貌、結(jié)晶度和表面價(jià)態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在900℃下煅燒的樣品獲得了良好形貌、純相且結(jié)晶度良好的TiN納米線微球。通過對(duì)比不同煅燒溫度下所制備的樣品在0.1mol/L的KOH溶液中的氧還原催化性能發(fā)現(xiàn)，在900℃下煅燒獲得的樣品催化性能最好，起始電位為-0.129V，峰電位為-0.274V，峰電流密

6、度為0.64mA/cm2。良好的微觀形貌和較高的Ti-N鍵含量對(duì)材料的氧還原催化作用具有促進(jìn)作用。另外，該材料的氧還原催化反應(yīng)主要以四電子過程進(jìn)行，且具有良好的催化穩(wěn)定性。
　　采用靜電紡絲結(jié)合高溫碳化制備了連續(xù)的TiC/C復(fù)合納米纖維，其平均直徑為100nm，纖維中TiC顆粒的粒徑為10-30nm。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變前驅(qū)體纖維穩(wěn)定化的氣氛，可以有效地控制TiC/C復(fù)合納米纖維中TiC的含量。其中，Ar氣氛中穩(wěn)定化后所制得的纖維（

7、TCCNFs-Ar）中TiC的含量高于空氣中穩(wěn)定化所制得的纖維（TCCNFs-air）。通過對(duì)比不同樣品在0.1mol/L的KOH溶液中的氧還原催化性能，發(fā)現(xiàn)TCCNFs-air具有最好的氧還原催化活性，起始電位為-0.07V，峰電位為-0.18V，峰電流密度為0.712mA/cm2，且具有良好的催化穩(wěn)定性。隨后，研究了TiC/C復(fù)合纖維在6mol/LKOH溶液中的超級(jí)電容性能，測(cè)得TCCNFs-Ar和TCCNFs-air在0.1A/g