钛氧化合物及其碳复合纳米材料的可控合成与功能探索

论文摘要

本论文主要围绕钛氧化合物及其与碳的复合材料的控制合成和性能研究开展工作,设计合成了海胆状TiO2纳米棒与碳的自组装微纳米复合材料、钛酸盐纳米晶等,并对TiO2-C微纳米复合材料在锂离子电池电极材料方面的性能与应用进行了初步探索,初步解释结构与性能之间的内在关联。通过溶剂热法利用四氯化钛水解、葡萄糖脱水碳化和酯化反应一步合成出一种新型TiO2纳米棒和碳的自组装微纳米复合材料,并设计系列对比实验系统研究了多种合成条件,如钛源种类、浓度,醇的种类,反应温度和时间,填充度,葡萄糖加入量,热处理温度以及晶种对产物形貌和结构的影响。此外,通过控制合成条件还获得一种TiO2@C纳米颗粒。SEM、TEM、Raman、XRD测试手段表明,该新型TiO2-C的复合材料为10-20 nm的TiO2纳米棒紧密排列并指向球心、碳均匀分散其中的海胆状组装体结构,直径约500 nm-10μm。电化学测试表明,该复合材料具有较好的比容量和循环性能。600℃处理碳含量20 wt%样品以30 mA·g-1的电流在1-3 V进行充放电循环,TiO2首次放电容量为335mAh·g-1,一个TiO2能够可逆嵌入0.78个Li+。700℃处理碳含量1.7 wt%样品以20 mA·g-1的电流在0.1-3V测试的首次放电容量为263.7mAh·g-1,循环70次后仍保持在244.6mAh·g-1。钛酸盐纳米晶的合成采用了水热法和溶剂热法。通过控制碱度、溶剂种类和体积、TiO2加入量等条件实现了钛酸盐形貌和结构的控制,合成出具有理想晶体结构的钛酸盐纳米片和纳米管。研究结果证实,碱度是影响产物的形貌和结构的最重要因素,低沸点有机溶剂的加入有利于纳米管的生成。通过与氢氧化锂锂离子交换,进一步合成出岩盐型LiTiO2纳米片,其相关性能有待进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 二氧化钛纳米材料的结构和性质
• 1.2 二氧化钛纳米材料的合成方法
• 1.3 二氧化钛纳米材料的应用
• 1.4 钛酸盐纳米材料
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 二氧化钛及其与碳的复合材料的控制合成和功能探索
• 2.1 实验部分
• 2.2 二氧化钛及其与碳的复合材料的控制合成
• 2.3 二氧化钛及其与碳的复合材料的表征
• 2.4 二氧化钛纳米棒与碳的自组装球形复合材料的电化学性能
• 2.5 小结
• 第三章 钛酸盐纳米材料的合成和转化
• 3.1 实验部分
• 3.2 钛酸盐纳米材料的制备
• 3.3 钛酸钠纳米片和纳米管的表征
• 3.4 钛酸锂纳米片的表征
• 3.5 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介