鈦基氧化物納米材料的制備及其在催化和鋰電池中的應用.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)境領域表現出巨大的應用前景。本論文主要采用液相法結合靜電紡絲技術和固相法制備了一系列鈦基氧化物及其復合材料，包括Co摻雜的Li4Ti5O12納米纖維、Pd/CeO2-TiO2納米纖維膜和N-TiO2/g-C3N4復合材料，并對它們的性質進行了表征，初步探討了其微觀結構與性能的關系。
　　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
　　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-凝膠結合靜電紡絲技術成功制備了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構，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
　　以鈦酸四丁酯、硝酸鈰、氯化鈀和聚氧化乙烯為原料，通過調控溶膠-凝膠過程和靜電紡絲工藝參數，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)良的力學性質使得纖維膜具有良好的高效氣體過濾性質。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纖維表現出良好的熱穩(wěn)定性，在400℃煅燒20h保持完整的纖維結構，纖維膜的強度仍然達到1.22MPa。同時，該納米纖維膜表現出良好的催化氧化CO的性能，200℃下可實現CO到CO2的完全轉化，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用價值。
　　3.片狀N-TiO2/g-C3N4復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方法制備

8、了片狀N-TiO2/g-C3N4復合物。通過降解羅丹明B（RhB）檢測了所得樣品的可見光催化性能。結果表明，N-TiO2和g-C3N4的質量比為1∶3的復合物表現出較高的催化活性，其一級反應速率常數是N-TiO2的19倍，g-C3N4納米片的5.3倍，P25的35.1倍。同時，該復合材料也表現出優(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復合材料高的光催化活性主要是由于材料較大的比表面