三维纳米多孔钛基复合膜的制备与电化学性能研究

摘要

随着经济的快速发展和社会的不断进步，信息、能源和材料已经成为新科技革命的三大支柱产业。一方面，随着信息产业的发展，平板电脑、移动电话和数码相机等各种便携式设备层出不穷，而这些便携式电器高度依赖于高比能量、轻便、长寿命的电源;另一方面，由于化石燃料的枯竭以及由此带来的环境污染问题，科学家们一直致力于开发新型可再生绿色能源。因此，成功开发廉价、高效、安全、环境友好的能源储存系统显得尤为重要。
　　在众多的能源储存系统中，电化学储能装置具有显著的优越性，如高效性、多样化和灵活性，是目前最有前景的手段之一。超级电容器和锂离子电池则是当前最典型、应用最广的电化学储能装置。无论是超级电容器还是锂离子电池，所使用的电极材料都是整个系统的核心，它直接决定了产品的性能。而对于电极材料本身来说，微观形貌、结构、电导率、比表面积等都对其性能的发挥起着重要的作用。
　　针对当前电极材料的不足，本文通过脱合金法、水热法、回流法以及电沉积等方法制备了一系列具有三维纳米多孔结构的电极材料，并系统研究了电极材料的电化学性能，取得了如下创新性成果:
　　(1)采用一种新颖的脱合金法成功制备了三维纳米多孔钛，整个制备过程涉及钛-锌合金层的热处理与碱溶过程。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等手段对电极的形貌和物相结构进行了表征。研究表明，三维纳米多孔钛膜的厚度、孔径及孔隙率可以通过改变前驱体热处理温度进行有效调节。
　　(2)进一步通过水热法制备了三维纳米多孔Ti/SnO2复合膜电极，并将其应用到锂离子电池负极材料。结果表明:三维多孔Ti/SnO2复合膜电极具有较高的储锂容量和良好的循环稳定性，首次嵌锂容量达616.0mAh·g-1，并且在50次循环后容量仍维持在470.5mAh·g-1。良好的电化学性能主要归因于三维多孔复合膜中纳米孔隙有效地缓解了锂离子嵌入/脱出时引起的结构变化，而且纳米氧化锡颗粒和多孔钛基体的复合也减轻了电极材料的体积效应并改善了其导电性。
　　(3)通过高温回流法将多孔Ti基体成功的转变为三维网状多孔TiO2薄膜。研究表明，多孔TiO2薄膜由内径为5～10 nm、长度约为1.5μm的TiO2纳米管相互缠绕形成三维网状结构。当用作超级电容器电极材料时，氢化处理后的三维网状多孔TiO2薄膜显示了优良的电化学性能，当扫描速率为100mV·s-1时，具有1.05mF·cm-2的比电容。此外，在100μA·cm-2的电流密度下进行1000次充放电后，仍具有93％的容量保持率。
　　(4)通过阳极氧化和高温氮化法成功将三维纳米多孔Ti基体转变为三维纳米多孔TiN基体，并采用电沉积法合成了多孔TiN-MnO2纳米线复合材料。电化学测试表明，复合材料具有良好的电化学性能。所得电极在2A·g-1的电流密度下比电容高达875F·g-1;在更大的电流密度下(20A·g-1)比容量仍然有459F·g-1;并且在8A·g-1的电流密度下经过1000次循环后，仍具有78.4％的容量保持率。良好的电化学性能主要归因于高导电的多孔TiN基体为复合材料提供了更快的电子传导率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米多孔金属材料简述

1．3 纳米多孔金属材料的独特性能

1．3．1 催化性能

1．3．2 传感和激发性能

1．3．3 力学性能

1．3．4 光学性能

1．4 纳米多孔金属材料的制备方法

1．4．1 斜入射沉积法

1．4．2 金属粉末烧结法

1．4．3 脱合金法

1．4．4 模板法

1．5 锂离子电池简介

1．5．1 锂离子电池的构造及工作原理

1．5．2 锂离子电池负极材料的研究进展

1．6 超级电容器概述

1．6．1 超级电容器的工作原理

1．6．2 超级电容器的电极材料

1．7 本论文的研究目的与意义

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 电化学测试仪器

2．3 实验方法

2．2．1 钛基体的预处理

2．2．2 多孔钛电极的制备

2．2．3 TiO2纳米管电极的制备

2．2．3 模拟电池的组装

2．3 电极材料的物性表征

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 X射线衍射(XRD)

2．3．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4 电化学性能表征

2．4．1 恒电流充放电性能测试

2．4．2 电化学循环伏安性能表征

2．4．3 电化学阻抗谱

参考文献

第三章 三维纳米多孔钛电极的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 电极的制备

3．2．2 电极的表面形貌和结构表征

3．2．3 电极的电化学表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ti-Zn合金的形貌及物相结构

3．3．2 多孔Ti电极的形貌及物相结构

3．3．3 多孔Ti电极的电化学表征

3．4 本章小结

参考文献

第四章 三维纳米多孔Ti／SnO2复合膜电极的制备及储锂性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 电极的制备

4．2．2 电极的表面形貌和结构表征

4．2．3 电极的电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 三维纳米多孔Ti／SnO2复合膜电极的形貌及物相结构

4．3．2 三维多孔Ti／SnO2复合膜电极的储锂性能测试

4．4 本章小结

参考文献

第五章 三维网状TiO2多孔电极的制备及电容性能研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 电极的制备

5．2．2 电极的表面形貌和结构表征

5．2．3 电极的电化学性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 三维纳米多孔TiO2电极的形貌及物相结构

5．3．2 TiO2纳米管电极的形貌及物相结构

5．3．3 三维纳米多孔TiO2电极的电容性能测试

5．4 本章小结

参考文献

第六章 TiN／MnO2纳米线复合材料的制备及电容性能研究

6．1 引言

6．2 实验方法

6．2．1 材料的制备方法

6．2．2 电极的表面形貌和结构表征

6．2．3 电极的电化学性能测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 多孔TiN薄膜的形貌及物相结构

6．3．2 TiN／MnO2纳米线复合材料的形貌及物相结构

6．3．3 TiN／MnO2纳米线复合材料的电容性能测试

6．4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

个人简介

附录：博士期间发表的论文