铁氧化物的制备、改性及在新能源领域的应用

论文摘要

铁氧化物在地球上储量丰富,环境友好。研究铁氧化物在新能源领域的应用吸引着众多研究者的目光。本论文研究了铁氧化物在光解水制氢和锂离子电池两个领域的应用。采用水溶液化学生长法及500℃热处理,制备了掺杂Co或Ni以及未掺杂的α-Fe203纳米棒阵列。通过XRD, SEM和紫外可见吸收光谱对样品进行表征。将样品组装成光电化学池,通过开路电压测试,线性扫描测试以及Mott-Schottky测试研究了掺杂对a-Fe203薄膜光电化学性能的影响。结果表明：掺杂Co, Ni和未掺杂的α-Fe203薄膜具有相同的直接跃迁能隙值2.24 eV和间接跃迁能隙值1.85 eV；三者光电流的起始电位都在-0.22 V（vs. SCE）,在0.2 V （vs. SCE）时,掺杂Co和Ni的α-Fe2O3薄膜光电流密度分别是3.19×10-5A.cm-2和1.98×10-5A.cm-2,未掺杂的a-Fe2O3薄膜是1.51×10-5A.cm-2；掺杂Co和Ni的a-Fe203载流子浓度分别是3.648×10’8m-3和2.462×1018 m-3,未掺杂的载流子浓度是1.647×1018m-3。掺杂没有改变样品的物相,形貌,光吸收特征,表面电催化性质以及能带位置。掺杂Co或Ni提高α-Fe203薄膜光电化学性能的主要原因是掺杂提高了载流子浓度。采用水热法制备了不同形貌的包覆油酸a-Fe203粒子,通过表面活性剂碳化法制备了各种铁氧化合物与碳的复合物。通过TGA和FTIR表征确定油酸碳化条件,通过XRD表征,研究样品物相随煅烧温度变化情况,通过循环伏安测试和恒流充放电测试得到Fe3O4/C复合物的电化学性能。结果表明：当反应物中油酸钠浓度是铁离子浓度的3倍（化学计量比）且油酸过量时,得到尺寸较小近似立方体的纳米颗粒。当油酸钠少于化学计量比且碱过量时,得到尺寸较大的棒状或纺锤状颗粒。水热产物（油酸包覆的a-Fe2O3）在Ar气下煅烧2h,当温度为300℃,400℃和500℃时,分别得到a-Fe2O3/C, a-Fe2O3/Fe3O4/C和Fe3O4/C复合物。作为锂离子电池负极材料,Fe3O4/C复合物展现出良好的循环稳定性和倍率性能：0.2 C下80次循环后具有691.7 mAh·g-1的比容量；2 C下20次循环后具有520mAh·g-1比容量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半导体催化光解水制氢研究进展
• 1.2.1 背景介绍
• 1.2.2 光解水制氢基本原理
• 1.2.3 半导体催化剂的基本要求
• 1.2.4 光解水制氢体系
• 1.2.5 催化剂存在的问题
• 1.2.6 催化剂改性方法
• 1.3 金属氧化物作为锂离子电池负极材料研究进展
• 1.3.1 背景介绍
• 1.3.2 传统锂离子电池工作原理
• 1.3.3 金属氧化物作为锂离子电池负极材料研究现状
• 1.3.4 铁氧化物作为锂离子电池负极材料研究进展
• 1.4 本论文研究内容、创新点及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 创新点
• 1.4.3 研究意义
• 2O₃纳米棒阵列制备及掺杂对光电化学性能影响'>第二章 α-Fe₂O₃纳米棒阵列制备及掺杂对光电化学性能影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料及仪器
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 光电化学池设计
• 2.2.4 材料表征与测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 材料的物相、形貌及吸收光谱分析
• 2.3.2 光电化学性能
• 2.4 本章小结
• 3O₄/C电化学性能研究'>第三章 铁氧化物/C复合物合成及Fe₃O₄/C电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 材料合成
• 3.2.3 材料表征
• 3.2.4 电化学测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 反应物用量对材料形貌和尺寸的影响
• 3.3.2 油酸碳化条件探索
• 3.3.3 煅烧温度对物相的影响
• 3O₄/C复合物的形貌表征'>3.3.4 Fe₃O₄/C复合物的形貌表征
• 3O₄/C复合物电化学性能'>3.3.5 Fe₃O₄/C复合物电化学性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间主要研究成果