鈦基氧化物納米材料的制備及其在催化和鋰電池中的應(yīng)用.pdf

1、作為一種重要的半導體材料，鈦基氧化物具有良好的光電性能、化學惰性和低成本等優(yōu)點，在解決能源和環(huán)境領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。本論文主要采用液相法結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和固相法制備了一系列鈦基氧化物及其復(fù)合材料，包括Co摻雜的Li4Ti5O12納米纖維、Pd/CeO2-TiO2納米纖維膜和N-TiO2/g-C3N4復(fù)合材料，并對它們的性質(zhì)進行了表征，初步探討了其微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。
　　1.摻雜Co的Li4Ti5O12纖維的制備及其增強的

2、鋰電池充放電性質(zhì)
　　以鈦酸四丁酯、醋酸鋰和醋酸鈷作為原料，乙醇作為溶劑，聚氧化乙烯作為紡絲助劑，通過溶膠-凝膠結(jié)合靜電紡絲技術(shù)成功制備了Li4Ti5O12和Co摻雜的Li4Ti5-xCoxO12(x=0.01，0.05，0.10)納米纖維。Co的摻雜沒有改變鈦酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)，但抑制了鈦酸鋰晶粒在煅燒過程中的長大，使組成纖維的顆粒尺寸由230nm降至140nm。電化學性能測試表明，Co的摻雜提高了Li4Ti5O12的電導率，進而提

3、高了其充放電性能。在1～3V以1C、2C、4C和8C倍率充放電，摻雜5mol％ Co的Li4Ti5O12納米纖維的放電比容量分別為170、143、129和116mAh/g，而Li4Ti5O12纖維的放電比容量分別為171、128、109和90mhA/g。摻雜5mol％ Co的Li4Ti5O12在8C時的放電容量與1C時相比，保留率為68.2％，遠大于純鈦酸鋰纖維的52.8％。在1C電流密度條件下循環(huán)充放電60次，Co摻雜的Li4Ti5O

4、12納米纖維的可逆容量衰減很少。Co摻雜的Li4Ti5O12表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能是由于提高了電極的電導率和降低了鋰離子的嵌入/脫除距離，從而提高了其倍率充放電性能。
　　2.柔性Pd/CeO2-TiO2納米纖維濾膜的制備及其CO催化氧化性質(zhì)
　　以鈦酸四丁酯、硝酸鈰、氯化鈀和聚氧化乙烯為原料，通過調(diào)控溶膠-凝膠過程和靜電紡絲工藝參數(shù)，成功制備了具有較高抗拉伸強度的自支撐CeO2-TiO2和Pd/CeO2-TiO2納米纖維膜

5、。CeO2的含量對纖維膜的柔韌性和拉伸強度有較大影響。當Ce與Ti的摩爾比為5∶100時，纖維膜具有最好的拉伸強度(1.38MPa)，是純TiO2納米纖維膜的3倍。將Pd負載到纖維上時，纖維膜的抗拉伸強度為1.28MPa，與未負載Pd的纖維膜的抗拉強度相當，這種優(yōu)良的力學性質(zhì)使得纖維膜具有良好的高效氣體過濾性質(zhì)。對于粒徑為300～500nm的氯化鈉氣溶膠，克重為16.84g/m2的Pd/CeO2-TiO2纖維膜的過濾效率達到99.86％

6、，壓降為178Pa;通過控制靜電紡絲時間，增加纖維膜的厚度，當克重提升至20.76 g/m2時，纖維膜的過濾效率可達99.95％，壓降為352Pa，可滿足高效氣體過濾的要求。另外，Pd/CeO2-TiO2纖維表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，在400℃煅燒20h保持完整的纖維結(jié)構(gòu)，纖維膜的強度仍然達到1.22MPa。同時，該納米纖維膜表現(xiàn)出良好的催化氧化CO的性能，200℃下可實現(xiàn)CO到CO2的完全轉(zhuǎn)化，連續(xù)使用30h，催化活性沒有降低。這種纖維膜

7、具有良好的力學性能和熱穩(wěn)定性，既可以過濾除去氣體中的固體顆粒物，又可以催化氧化CO，在高溫煙氣處理中具有潛在的應(yīng)用價值。
　　3.片狀N-TiO2/g-C3N4復(fù)合材料的簡易合成及其增強的光催化活性和穩(wěn)定性
　　選擇TiCl4和NH3·H2O作為反應(yīng)原料，采用共沉淀方法制備了尺寸約20nm的N-TiO2納米粒子;通過NH4SCN的熱聚合制備了厚度約8～15nm，寬度為幾微米的g-C3N4納米片;最后采用簡單的固相燒結(jié)方法制備

8、了片狀N-TiO2/g-C3N4復(fù)合物。通過降解羅丹明B（RhB）檢測了所得樣品的可見光催化性能。結(jié)果表明，N-TiO2和g-C3N4的質(zhì)量比為1∶3的復(fù)合物表現(xiàn)出較高的催化活性，其一級反應(yīng)速率常數(shù)是N-TiO2的19倍，g-C3N4納米片的5.3倍，P25的35.1倍。同時，該復(fù)合材料也表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)7次之后，仍能保持98.8％的催化活性。制備的N-TiO2/g-C3N4復(fù)合材料高的光催化活性主要是由于材料較大的比表面