新型TiO2復(fù)合物的制備及其在儲(chǔ)能及光催化領(lǐng)域應(yīng)用研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)具有高效，無毒，成本低，化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在鋰離子電池電極材料和光催化材料領(lǐng)域備受關(guān)注。就理論而言，TiO2單胞嵌入一個(gè)鋰離子后理論比容量可達(dá)335mAh g-1，且其在充放電過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已然成為一類極具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于TiO2的室溫嵌鋰系數(shù)僅為0.6左右，這極大限制了其實(shí)際儲(chǔ)鋰能力。作為光催化劑而言，TiO2在紫外光作用下，其表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性和穩(wěn)定性

2、，可廣泛應(yīng)用于有機(jī)物的降解。然而由于TiO2的禁帶寬度較寬(3.2eV)，光響應(yīng)范圍只局限于紫外光部分，因此TiO2的實(shí)際光催化性能受光波長影響較大，且效率較低。針對(duì)上述問題，本文在對(duì)TiO2的結(jié)構(gòu)、合成、儲(chǔ)鋰性能和光催化性能改性進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了TiO2及其復(fù)合物的合成、微結(jié)構(gòu)特征、電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能和光催化性能，揭示了結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。該研究對(duì)于提高TiO2在鋰離子電池中的儲(chǔ)鋰性能與擴(kuò)大TiO2的光響應(yīng)范圍提供了一定的理論基

3、礎(chǔ)。具體結(jié)論如下:
　　(1)采用一種簡單的水熱法，合成了一維TiO2納米針與二維rGO納米片的復(fù)合物。微結(jié)構(gòu)研究表明，水熱法合成的納米針TiO2為金紅石結(jié)構(gòu)，TiO2納米針均勻地分散于石墨烯納米片上，形成比較穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試表明:該材料在0.1C下具有優(yōu)異的可逆放電比容量(427.6mAh g-1)，即使在高倍率，5C下也能保持較高的放電比容量（149mAh g-1）。在1C下，循環(huán)50次后，TiO2/rGO仍190m

4、Ah g-1的可逆容量，展示了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究表明，金紅石TiO2納米針/rGO納米片復(fù)合物的這種特殊的1D/2D結(jié)構(gòu)，可縮短鋰離子和自由電子的傳輸路徑，提高鋰離子和電子的傳輸效率，同時(shí)提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這是TiO2電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能明顯改善的主要原因。
　　(2)利用水熱法合成了TiO2與鎢酸鉍(Bi2WO6)的復(fù)合物。采用XRD對(duì)其成分進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物是由銳鈦礦TiO2與正方晶系的Bi2WO6組成。微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)

5、， Bi2WO6顆粒均勻緊密地鑲嵌在TiO2表面，構(gòu)成齒帶狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。光響應(yīng)范圍以及光降解測試表明，Bi2WO6/TiO2復(fù)合物相比較純TiO2而言，禁帶寬度發(fā)生了紅移，在可見光下也能對(duì)有機(jī)污染物(X-3B)降解，其降解效率達(dá)到了60％，甚至高于純相Bi2WO6（效率僅為40％）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Bi2WO6為窄禁帶寬度半導(dǎo)體材料，能有效利用可見光產(chǎn)生電子和空穴。Bi2WO6與TiO2復(fù)合后，電子和空穴得到了轉(zhuǎn)移，不僅提高了光生電子-空穴

6、的壽命，同時(shí)擴(kuò)大了光響應(yīng)范圍，提高了對(duì)太陽光的利用率。
　　(3)以小球藻和SiO2為模板分別合成了兩種空心結(jié)構(gòu)的TiO2。XRD表征發(fā)現(xiàn)，合成的TiO2均為銳鈦礦型。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，由Stober法合成的SiO2分散性較好，且粒徑大小均勻，而小球藻本身顆粒較大，且不規(guī)整。在紫外光下對(duì)甲基橙進(jìn)行光降解測試表明，以SiO2為模板合成的空心TiO2的性能優(yōu)于以小球藻為模板的產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)，以小球藻為模板得到的TiO2，煅燒溫度越高，光

7、降解性能越好。以SiO2為模板制得的空心TiO2與其堿泡時(shí)間密切相關(guān)，隨著堿泡時(shí)間的延長，降解性能不斷提高，直至堿泡達(dá)到21h，降解性能達(dá)到最優(yōu)，45min后降解率可達(dá)到100％。而在接下來的堿泡過程中，性能反而降低。結(jié)合XRD與SEM可知，TiO2的含量隨著堿泡時(shí)間的增加而增加，且在21h前其形貌都能較好的保持，因此在紫外光下對(duì)甲基橙的降解效率也隨之得到提高。而堿泡26h后的TiO2形貌發(fā)生了坍塌，性能隨之降低。結(jié)合氮?dú)馕摳綔y試，揭