TiO2纳米线的制备及其在H2O2传感器和锂离子电池中的应用

论文摘要

一维半导体纳米材料由于其形状的各向异性而具有优异的物理化学性能,因此吸引了全世界的关注。作为一种典型的半导体,二氧化钛（TiO2）一维纳米材料在很多领域被广泛研究,这是因为TiO2具有价廉、无毒、稳定等优良的物理化学性能。但是,至今关于利用二氧化钛纳米线（TNWs）固定生物分子制备生物传感器的仍少见报道。在本研究中,我们采用水热法合成了TNWs,并利用TNWs制备了过氧化氢（H2O2）传感器,同时,本文研究了TNWs作为锂离子电池负极材料的性能。本文的主要内容归纳如下。在第二章,本文采用改进的水热法合成了直径约50 nm的TNWs,利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其形貌进行了表征,采用X射线衍射仪（XRD）表征了纳米线的晶体结构,制备了基于壳聚糖（CHIT）共固定TNWs和辣根过氧化物酶（HRP）于玻碳电极表面（GCE）的H2O2生物传感器,优化了传感器的工作条件。在最佳工作条件下,H2O2生物传感器检测H2O2的线性范围为0.004 mM-1.15 mM,灵敏度为124μA mM-1cm-2。在信噪比为3且相关系数为0.99996的基础上,传感器的检测下限为0.32μM,响应时间少于3 s,米氏常数为4.31mM。综合来说,传感器具有灵敏度高、响应速率快、检测下限低、检测范围宽等优点,这为传感器的实际应用奠定了基础。在第三章,本文制备了TNWs,并且利用数码相机（DC）、SEM研究了H2O2处理对TNWs的外观、形貌和元素组成的影响,采用能谱仪（EDS）表征了退火处理对TNWs的形貌和元素组成的影响。研究结果表明,水热处理导致TiO2由锐钛矿相的颗粒转变为TiO2-B相的TNWs;TNWs的稳定性好,H2O2处理和退火处理对TNWs的形貌无影响,只是TNWs的元素组成有影响。H2O2处理后TNWs的O/Ti原子比上升,退火处理后其比值下降。最后,本文制备了基于TNWs的纽扣电池,研究TNWs作为锂离子电池负极材料的电化学性能。没有经H2O2处理的TNWs作为锂离子电池负极材料在充放电速率为1-3 V（vs. Li+（1 M）/Li）时的最大放电容量为124 mA h/g,且其第30个循环的放电容量保持为55 mA h/g。H2O2处理的TNWs和原料TiO2作为锂离子电池负极材料的最大放电容量分别为120 mA h/g和108 mA h/g。由实验数据可知,所有的3种TiO2材料作为锂离子电池负极具有一定的储锂性能,但是其比容量和稳定性有待提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图索引
• 表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 2 的主要晶型的晶体结构'>1.2 Ti0₂的主要晶型的晶体结构
• 2 的制备'>1.3 一维纳米Ti0₂的制备
• 1.3.1 水热法
• 1.3.2 阳极氧化法
• 1.3.3 模板法
• 1.3.4 其他方法
• 2 的应用'>1.4 一维纳米Ti0₂的应用
• 1.4.1 光催化降解有机物
• 1.4.2 锂离子电池负极材料
• 1.4.3 太阳能电池
• 1.4.4 光解水制氢
• 1.4.5 气体传感器
• 1.4.6 生物传感器
• 1.4.7 催化剂载体
• 1.4.8 其他应用
• 1.5 选题的意义和研究内容
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 纳米线的 H₂0₂ 传感器'>第2章 基于Ti0₂ 纳米线的 H₂0₂传感器
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2.2.2 TNWs 的制备
• 2.2.3 传感器的制备
• 2.2.4 TNWs 的表征及电化学测量
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 TNWs 的表征
• 20₂ 的活性'>2.3.2 HRP/TNWs/CHIT/GCE 电催化H₂0₂的活性
• 2.3.3 传感器检测条件优化
• 2.3.4 传感器的响应特征
• 2.4 本章小结
• 20₂和热处理对Ti0₂ 纳米线的影响及其在锂离子电池中的应用'>第3章 H₂0₂和热处理对Ti0₂纳米线的影响及其在锂离子电池中的应用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 TNWs 的制备
• 3.2.3 TNWs 的表征
• 3.2.4 锂离子电池的制作及测试
• 3.3 结果与讨论
• 20₂ 处理和退火处理对 TNWs 形貌的影响'>3.3.1 H₂0₂ 处理和退火处理对 TNWs 形貌的影响
• 20₂ 处理和退火处理对 TNWs 元素组成的影响'>3.3.2 H₂0₂ 处理和退火处理对 TNWs 元素组成的影响
• 20₂ 处理对TNWs 结晶度的影响'>3.3.3 H₂0₂ 处理对TNWs 结晶度的影响
• 3.3.4 TNWs 应用于锂离子电池负极材料
• 3.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）