中空结构Cu2O微/纳米球合成及其储锂/染料去除性能研究

摘要

具有中空和(或)多孔结构的过渡金属氧化物半导体近年来在能源存储和转换领域得到了广泛的应用。其中，部分氧化物半导体可在室温条件下直接利用可见光作为光源，激发出光生电子和空穴而被用来光催化降解有机物治理环境污染。在过去的几十年间，许多氧化物半导体被合成出来并且相当一部分表现出良好的储锂性能以及光催化降解染料性能。在众多的过渡金属半导体氧化物中，Cu2O储量丰富、成本低廉、环境友好和具有良好的电化学性能，是一种比较理想的锂离子电池负极材料。同时因其是一种p型半导体，具有较小的禁带宽度（2.17eV），可见光照射即可激发电子跃迁，产生电子-空穴对，表现出良好的催化降解有机污染物性能。本论文拟采用简单的一步水热法制备具有中空结构的Cu2O微/纳米球，以期提高储锂循环稳定性、比容量和染料去除性能(吸附和光催化)。
　　本论文采用一种新的“快速水热法”在不添加任何模板剂的条件下，用硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)为铜源，在乙二醇/水(EG/H2O)体系中一步合成了直径可控的中空结构Cu2O微米球。通常情况下，水热法制备纯相的无机氧化物晶体往往需要处理几个到几十个小时的时间，在本论文中提出的“快速水热法”只需要1个小时就能得到纯相的Cu2O(最快只需要15分钟)。通过调节合成过程中水的体积，可得到单分散性良好的直径分布在0.5-4.2μm中空球，这些微米球具有由多面体围成的表面。在上述制备方法的基础上，对合成方法作了重新设计，在完全无水的条件下，通过调节反应时间，得到了直径分布在125-210nm之间的单分散多孔中空结构Cu2O纳米球。分析表明微米球和纳米球的表面有高能{110}和{111}面暴露。
　　对合成的中空结构Cu2O微/纳米球作了储锂性能测试。结果表明，直径为1.6μm的小球表现出非常好的循环稳定性，0.2C倍率充放电循环200次比容量稳定在370 mAh/g，这是目前关于纯相Cu2O电极材料报道中比容量和循环稳定性最好的。直径为125nm的小球在0.2 C倍率下充放电75次后，可逆放电容量达到534mAh/g，这个数值也是目前关于纯相Cu2O电极材料报道中表现最好的。
　　对中空结构Cu2O微/纳米球有机染料去除性能(吸附和光催化)进行研究的过程中发现，Cu2O体系对于甲基橙(MO)具有强烈吸附作用，只有在Cu2O量很少的情况下才能排除强烈的吸附作用对光催化效率的影响。由于吸附-脱附平衡很难达到，因而本论文采用了“去除效率”来衡量该结构的有机染料去除性能，即：光催化效率(Ep)=去除效率(Er)-吸附效率(Ea)，其可相对准确地评价大量Cu2O存在下的光催化效率。结果表明，可见光照射下直径分别为0.5、1.6和3.2μm的三种Cu2O微米球对MO的去除效率分别为96、96和91％，其中各自的吸附效率分别为27、47和42％，光催化效率分别是69、49和49％。对于中空结构Cu2O纳米球而言，其对于高浓度MO的吸附效果相当好。当MO的浓度为50mg/L的时候，在30分钟时对其吸附效率为99.5％，MO浓度为100mg/L时，60分钟吸附效率为99.6％，MO浓度为200mg/L时，120分钟吸附效率为99.3％，MO浓度为400mg/L时，6小时吸附效率为99.6％，此时最大吸附量达到996.0mg/g。该多孔中空结构Cu2O纳米球对有机染料吸附性能是目前所有文献报道中最好的。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1前言

1.2 Cu2O基本特性

1.3 Cu2O的制备方法

1.4微/纳材料在储锂/染料去除(吸附和光催化)方面的应用

1.5本论文研究的目的、意义及方法

第2章 实验仪器与方法

2.1实验药品及仪器

2.2材料制备方法

2.3材料物理性能表征

2.4材料光催化及吸附性能表征

2.5材料锂离子电池性能表征

第3章 中空Cu2O微米球制备及其性能表征

3.1前言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章 中空Cu2O纳米球制备及其性能表征

4.1前言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果

参考文献

附录A:Cu2O微/纳米球热稳定性分析

A1.1前言

A1.2 微米Cu2O综合热分析

A1.3 纳米Cu2O综合热分析

A1.4 Cu2O热转化制备CuO锂电性能测试

A1.5 小结

附录A参考文献