鈦基化合物納米材料的制備及其電化學性能研究.pdf

1、電化學新能源的應用在人類生活中的重要性愈趨明顯，因此對電化學新能源材料的開發(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新能源中的應用均存在較嚴重的缺陷，因此尋找更加合適的材料對電化學新能源的推廣和應用均具有重大意義。鈦基材料因其具有原料豐富、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在鋰離子電池、超級電容器和燃料電池等電化學新能源領域都有很好的應用前景。但目前鈦基材料的電化學研究尚不成熟，因此從電化學新能源應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計量比的TiO2-x（x≥0）納米顆粒、TiN納米纖維球和TiC/C復合納米纖維等鈦基材料并研究了它們的電化學性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　采用溶劑熱法、以鋅粉為還原劑，制備了非化學計量比的TiO2-x納米顆粒。當改變前驅(qū)體中鋅粉的加入量時，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。通過定量計算，得出Zn:Ti摩爾比為2％、4%和6%時所制備

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率，因而改變了其在鋰離子電池中的電化學性能。研究發(fā)現(xiàn)，加入Ti3+不僅提高了TiO2-x材料的平臺比容量，對界面發(fā)生的儲電容量亦有較大的改進；同時，加入Ti3+對TiO2-x材料嵌鋰過程具有更大的促進作用。材料的電化學性能如可逆容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性強烈依賴于Zn:Ti摩爾比。通過測試對比，Zn:Ti摩爾比為4%時所制備的T

4、iO2-x材料的可逆容量最高，其性能遠高于未還原的純TiO2材料。在100mA/g的電流密度下可逆容量達到了202.1mAh/g，3000mA/g的電流密度下達到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材料形貌的影響，優(yōu)化出乙二醇與水的體積比為3:1時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材料形貌、結(jié)晶度和表面價態(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鍵含量對材料的氧還原催化作用具有促進作用。另外，該材料的氧還原催化反應主要以四電子過程進行，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復合纖維在6mol/LKOH溶液中的超級電容性能，測得TCCNFs-Ar和TCCNFs-air在0.1A/g