碳、二氧化钛基纳米复合材料的可控制备与应用

论文摘要

碳基纳米复合材料由于耐溶剂性、大比表面积、导电性好等优异性能,在电泳显示器、锂离子电池、催化、生物医学等领域具有广阔的潜在应用前景,成为当前材料领域的研究热点。本论文主要采用超声雾化高温热解法,解决碳基纳米复合材料现有制备方法中存在的原材料成本高、环境不友好、过程繁琐、周期长、不易连续化规模化、普适性差等问题。通过选择不同碳源,可控制备几种不同形貌的新功能纳米复合材料,并对其进行了表征和应用实验。主要工作和成果如下:1.首次设计出一条普适性的、一步、无模板路线,以柠檬酸钠、金属盐水溶液为前驱体,合成出rattle-type中空碳球（M@carbon, M = Sn、Pt、Ag或Fe-FeO纳米颗粒）,并将其应用在锂离子电池负极材料,解决了Sn基负极材料易粉化、循环性能差的问题;2.探索了一条快速、无模板的新路线,合成出多孔中空磁性球,Fe3O4纳米颗粒随机分布在碳中空球的碳壳内。与目前文献报道的磁性多孔碳中空球相比,具备Fe3O4含量（71 wt %）高、饱和磁化强度（48.2 emu/g）高、极性非极性溶剂分散性好、耐酸性强等优点;3.根据国家自然科学基金（No.60736001）项目需求,创新性的发展了一条“掺杂—腐蚀”的路线,合成出密度可调（1.5-2.2 g/cm3）的碳—氧化铁黑色颜料,解决碳基黑色颜料与电泳液密度不匹配的问题,成功应用于电泳显示器;4.在混合溶剂法的基础上发展了一条普适性的新方法,用碳基功能材料取代聚苯乙烯球模板,以碳为偶连剂,在其表面成功包覆TiO2壳层,并最终考查了其光学、磁学及光催化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章前言
• 1.1 碳基、二氧化钛基纳米复合材料
• 1.1.1 纳米复合材料
• 1.1.2 碳基、二氧化钛基纳米复合材料
• 1.2 纳米复合材料的制备方法
• 1.2.1 层层自组装法
• 1.2.2 水热/溶剂热法
• 1.2.3 超声雾化高温热解法
• 1.3 纳米复合材料的晶型、尺寸及形貌的调控
• 1.4 纳米复合材料的应用
• 1.4.1 信息显示领域
• 1.4.2 能源领域
• 1.4.3 其它领域
• 1.5 本论文的学术思想和研究目的
• 参考文献
• 第二章 Rattle-type 中空碳球:一步、无模板合成及应用
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料与实验装置
• 2.2.2 Rattle-type 中空碳球的合成步骤
• 2.2.3 锂离子电池的组装
• 2.2.4 表征手段
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 Rattle-type 中空碳球的形成机理
• 2.3.2 Sn@carbon 的形貌和物相
• 2.3.3 Sn@carbon 的热重分析
• 2.3.4 温度对Sn@carbon 的影响
• 2.3.5 Sn@carbon 中锡含量的调节
• 2.3.6 Pt@carbon、Ag@carbon 和Fe-FeO@carbon 的制备
• 2.3.7 Sn@carbon 作为锂电池负极材料的应用
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 四氧化三铁—碳多孔磁性中空球
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料与实验装置
• 3.2.2 磁性多孔中空碳球的合成步骤
• 3.2.3 磁性多孔中空碳球的耐酸性实验
• 3.2.4 磁性多孔中空碳球的表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 磁性多孔中空碳球的形貌和物相
• 3.3.2 磁性多孔中空碳球的热重分析
• 3.3.3 磁性多孔中空碳球的多孔性
• 3.3.4 磁性多孔中空碳球的可能形成机理
• 3.3.5 磁性多孔中空碳球的磁性能
• 3.3.6 磁性多孔中空碳球的耐酸性
• 3.3.7 磁性多孔中空碳球的红外光谱及溶剂分散性
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 密度可调黑色颜料：制备、溶剂分散及在电子纸中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原材料与实验装置
• 4.2.2 碳—氧化铁黑色微球的制备
• 4.2.3 碳—氧化铁黑色微球的密度调整
• 4.2.4 黑白电泳显示器的组装
• 4.2.5 表征手段
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 黑色颜料的形貌和物相
• 4.3.2 黑色颜料的表面官能团
• 4.3.3 氯化亚铁浓度对黑色颜料尺寸的影响
• 4.3.4 黑色颜料的形成机理
• 4.3.5 黑色颜料颗粒的密度调整
• 4.3.6 黑白电泳显示器
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳基功能核—二氧化钛壳复合材料：碳为偶连剂
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原材料
• 5.2.2 二氧化钛包覆的核壳结构复合材料
• 5.2.3 粗糙表面锐钛矿相二氧化钛壳
• 5.2.4 表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 二氧化钛壳的形成机理
• 2核壳球结构纳米复合材料'>5.3.2 Ag/C/TiO₂核壳球结构纳米复合材料
• 5.3.3 二氧化钛壳层厚度的调控
• 5.3.4 二氧化钛壳层对银光学性质的影响
• 5.3.5 二氧化钛包覆碳基磁性中空球
• 5.3.6 粗糙表面锐钛矿相二氧化钛包覆的碳球
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 粗糙表面的混合相二氧化钛中空球：合成及光催化
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 粗糙表面混合相二氧化钛中空球
• 6.2.2 光催化降解罗丹明B 水溶液
• 6.2.3 表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 表面粗糙二氧化钛中空球的合成
• 6.3.2 影响因素
• 6.3.3 影响二氧化钛从锐钛矿向金红石相转变的因素
• 6.3.4 二氧化钛的光催化性质
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 发表文章及专利目录
• 致谢