核壳及中空结构纳米材料的制备、微结构与性能研究

摘要

设计和控制合成具有特殊形貌的纳米材料是当前材料科学领域及人类社会不断前进发展的驱动力。核壳结构的纳米材料因其不同于或优于单个组分的性能，可以实现人们在纳米尺寸对材料结构和性能的设计及优化，已经成为目前新材料领域的一个研究热点。将核壳材料中的核体去除而得到的中空结构材料具有密度低、比表面积大、表面渗透性好等特点，已在许多高科技领域具有广阔的应用前景。
　　核壳结构纳米材料和中空结构纳米材料特殊的物理和化学性能不但与各组分的种类有关，而且还受到材料的形貌、尺寸和结构的影响。因此研究如何制备形貌、粒径可控，结构特殊的纳米材料，对于发展其功能性的应用具有重大意义。本文基于这个研究思路围绕多组分、多级结构的纳米材料，制备了系列具有多级结构的双壳层核壳结构和海胆状中空核壳结构纳米材料，并分别研究了他们的吸波性能和电化学性能。主要研究内容及结论如下:
　　1.采用St(o)ber法和水热反应制备了一种由尖晶石Fe3O4纳米粒子为核和四方金红石SnO2为双壳层构成的具有分级结构的双壳层中空核壳Fe3O4@SnO2复合微球。通过控制反应条件可以制备得到具有不同内核大小、内部空腔体积和内外壳层厚度的双壳层核壳结构复合微球，并表征了其尺寸、形貌、微结构、晶体结构和磁学性质。
　　电磁参数的研究结果表明，几何结构对于复合材料的吸波性能有重要影响。相对于纯Fe3O4和核壳结构Fe3O4@SiO2复合微球，双壳层核壳结构Fe3O4@SnO2复合微球具有优良的吸波性能。在材料厚度为2mm时，最大反射损耗为-36.5 dB，反射损耗超过-20 dB的频带宽度达到了8.5 GHz。这些结果显示双壳层核壳结构的复合微球可作为密度小、吸收强、频带宽的纳米复合吸波材料，将在吸波材料领域具有极大的应用潜力。
　　2.通过溶胶凝胶法及后续的水热反应制备了由超薄的纳米片组成的表面形成的海胆状中空Li4Ti5O12微球，该微球直径约为500nm，比表面积为140 m2 g-1，并表征了其尺寸、形貌、微结构和晶体结构。对于不同反应阶段产物的形貌进行分析，并考察了海胆状中空微球的形成过程，进而提出了可能的形成机理。
　　电化学测试的研究结果表明，几何结构对于负极材料的电化学性能有重要影响。这种具有超高比表面积的海胆状中空Li4Ti5O12微球在20 C的高倍率下容量高达120 mAh g-1，而且较商用Li4Ti5O12颗粒具有更加优异的循环稳定性。不同充放电状态海胆状中空Li4Ti5O12微球的原位EELS分析表明，当尖晶石结构Li4Ti5O12转变为岩盐结构Li7Ti5O12时仅有一部分Ti4+离子被还原成Ti3+，而其他的则仍然保持Ti4+。这些结果表明这种海胆状中空Li4Ti5O12微球可以作为锂离子电池的负极材料，这对设计、制备新型的电极材料有着十分重要的意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1．引言

1．2．纳米材料简介

1．2．1．纳米材料的分类

1．2．2．纳米材料的基本特性

1．2．3．纳米材料的发展趋势

1．3．核壳结构纳米材料概述

1．3．1．核壳结构纳米材料的定义

1．3．2．核壳结构纳米材料的制备方法

1．3．3．核壳结构纳米材料的应用

1．4．中空结构纳米材料概述

1．4．1．中空结构纳米材料的定义

1．4．2．中空纳米材料的制备方法

1．4．3．中空结构纳米材料的应用

1．5．本文的研究目的和研究内容

第二章 双壳层核壳结构Fe3O4@SnO2复合微球的制备、表征及其吸波性能的研究

2．1．引言

2．2．实验部分

2．2．1．主要实验材料及仪器

2．2．2．样品表征与测试

2．2．3．双壳层核壳结构Fe3O4@SnO2复合微球的制备

2．3．结果与讨论

2．3．1．双壳层核壳结构Fe3O4@SnO2复合微球的表征

2．3．2．双壳层核壳结构FeaO4@SnO2复合微球的吸波性能研究

2．4．本章小结

第三章 海胆状中空Li4Ti5O12微球的制备、表征及其电化学性能的研究

3．1．引言

3．2．实验部分

3．2．1．主要实验材料及仪器

3．2．2．样品表征与测试

3．2．3．海胆状中空Li4Ti5O12微球的制备

3．3．结果与讨论

3．3．1．海胆状中空Li4Ti5O12微球的表征

3．3．2．海胆状中空Li4Ti5O12微球的电化学性能研究

3．4．本章小结

结论

参考文献

硕士期间的研究成果

致谢

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