Ti和TiN基底上阳极氧化膜的制备、掺杂及电化学性能研究

摘要

金属钛的阳极氧化膜分为两种，TiO2纳米管（多孔膜）和致密膜。TiO2纳米管具有有序的多孔结构、大比表面积，可作为超级电容器的电极材料。尽管TiO2纳米管已研究多年，但因Ti片上制备的TiO2纳米管易剥离、电化学性能较差等缺点使应用受限。因此，本文首先对比了Ti丝、Ti片两种基底，在不同阳极氧化条件下，制备的TiO2纳米管形貌和电化学性能的差异。其次，为了提高TiO2纳米管的比电容，研究了N掺杂的TiO2纳米管的两种制备方法（一步法、二步法），并与未掺杂的TiO2纳米管的性能相比较。再次，为了简化掺杂工艺，直接在沉积有TiN涂层的Ti片(TiN-Ti)基底上进行不同条件下的阳极氧化，得到电化学性能更好的含N的TiO2纳米管，为超级电容器电极材料的制备提供指导。最后，尽管TiO2致密膜可作为电容器的电介质材料，但与TiO2纳米管相比，TiO2致密膜却很少有人研究。因此，本文还研究了不同基底上、不同条件下致密膜的制备，并对比了致密膜的漏电流及不同频率下的比电容和损耗。全文的主要工作如下:
　　首先，由于Ti丝上制备的TiO2纳米管与基底结合力较好，因此系统研究了不同阳极氧化条件下Ti丝上制备的TiO2纳米管的形貌与电化学性能，并与Ti片上制备的TiO2纳米管相比较。实验表明，NH4F浓度越大、温度越高，Ti丝上制备出的TiO2纳米管的管长越长、比电容越大。
　　其次，分别使用一步法及二步法在Ti片上制备出N掺杂的纳米管。一步法是将Ti片在含尿素的电解液中氧化生成N掺杂的纳米管，二步法是将常规制备出的TiO2纳米管在氨水或尿素溶液中浸渍。两种方法制备出的N掺杂的TiO2纳米管均获得更大的比电容，但是浸渍后的纳米管与基底的结合力较差，因此一步法更具有优势。
　　另外，将TiN-Ti在常规电解液中阳极氧化制备出含N的TiO2纳米管，研究了氧化时间及温度对纳米管的影响。与相同时间下Ti片上生长的纳米管相比，TiN-Ti上生长的管长较短，单位长度上具有更高的比电容。随着温度的升高，TiN-Ti上制备的纳米管管长变长，比电容提高。
　　最后，为了探索致密膜的阳极氧化工艺，研究了电解液种类、氧化电压、温度对TiN-Ti及Ti片上生长的致密膜性能的影响。四种电解液对比结果表明，电解液种类对Ti片上致密膜性能影响不大，但TiN-Ti在NH4B5O8与H3BO3混合溶液中制备的致密膜性能最好。与Ti片上致密膜相比，在TiN-Ti上生长的致密膜的漏电流和损耗性能更优。实验表明，TiN-Ti生长的致密膜性能与Ti片上的相似，随着氧化电压的升高，漏电流增加，比电容下降，损耗减小;而随着温度的升高，漏电流增加，比电容下降，损耗增加。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与选题意义

1．2 阳极氧化钛膜制备的研究进展

1．2．1 致密型阳极氧化钛膜制备的研究进展

1．2．2 多孔型阳极氧化钛膜及TiO2纳米管制备的研究进展

1．3 阳极氧化钛膜的形成机理的概述

1．3．1 “场致溶解”理论

1．3．2 粘性流动模型

1．3．3 两电流模型

1．4 TiO2纳米管氮掺杂的研究进展

1．5 本文的研究目的及研究内容

2 Ti丝和Ti片基底上TiO2纳米管的制备及电化学性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验药品及仪器

2．1．2 Ti片与Ti丝的预处理

2．1．3 实验内容

2．2 结果与讨论

2．2．1 NH4F浓度、温度对TiO2纳米管电流密度．时间曲线的影响

2．2．2 NH4F浓度、温度对TiO2纳米管形貌的影响

2．2．3 NH4F浓度、温度对TiO2纳米管电化学性能的影响

2．3 小结

3 Ti片上氮掺杂TiO2纳米管的制备及电化学性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验药品和仪器

3．1．2 实验内容

3．2 结果与讨论

3．2．1 浸渍法制备氮掺杂TiO2纳米管及其形貌与电化学性能的研究

3．2．2 尿素中阳极氧化制备氮掺杂TiO2纳米管及其形貌与电化学性能的研究

3．3 小结

4 TiN-Ti上TiO2纳米管的制备及电化学性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验药品及仪器

4．1．2 实验内容

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同阳极氧化时间对TiN-Ti上制备的TiO2纳米管的影响

4．2．2 不同阳极氧化温度对TiN-Ti上制备的TiO2纳米管的影响

4．3 小结

5 TiN-Ti上致密膜的制备及性能研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验药品及仪器

5．1．2 实验内容

5．2 结果与讨论

5．2．1 电解液对TiN-Ti上制备的TiO2致密膜的影响

5．2．2 氧化电压对NH4B5O8与H3BO3混合溶液中TiN-Ti上制备的致密膜的影响

5．2．3 氧化温度对NH4B5O8与H3BO3混合溶液中TiN-Ti上制备的致密膜的影响

5．3 小结

6 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 本文创新点

6．3 工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

作者在攻读硕士学位期间申请的发明专利