三维孔状结构二氧化钛基复合物的构建及其性能研究

摘要

纳米TiO2无毒、稳定，是一种性能良好的光催化材料，在过去的一段时间里引起了研究者的广泛关注。但是TiO2的带隙较宽(锐钛矿和金红石分别是3.2eV和3.0eV)，只能被紫外光激发，极大地限制了其在环境净化和催化方面的实际应用。因此提高TiO2材料性能的一个目标就是把TiO2的光响应范围从紫外光区拓展至可见光区，将在太阳能电池、光催化材料等领域发挥主要作用。
　　孔状结构材料常常被应用于光催化材料中，特别是三维的反蛋白石结构，这种有序的网络三维结构不仅提供了电子空穴快速转移的途径，同时由于光子晶体具有的慢光子效应提高了材料对于光路的散射过程，从而加强对于这些光的吸收强度。这样的条件对于提高催化材料的光催化效果以及提高太阳能电池的光电流密度有很大的作用，将光子晶体反蛋白石结构应用于能源催化行业是一种很流行的趋势。同时将材料制备成孔状结构也能很好的改善锂离子电池材料的膨胀问题。本论文通过利用掺杂改性以及敏化等化学方法以及改变材料形貌结构的物理方法制备了改性的三维二氧化钛反蛋白石结构以及孔状改性的二氧化钛锂离子电池负极材料。在性能上都取得了一定的提高。论文主要研究结果如下:
　　1.利用垂直沉降的方法制备了高度有序的PS球光子晶体。并以此为模板成功的通过一步法制备了CuO-TiO2三维多孔的反蛋白石结构的光电薄膜材料。紫外可见吸收光谱测定表明CuO-TiO2的光响应范围红移至可见光区相比较于TiO2有了很大地拓宽，有效地解决了TiO2很窄的光响应范围问题。另外由于三维光子晶体结构所具备的慢光子效应以及光路在其中发生的多重散射的性质，有效地提高了光生电子的传播速率。对于光催化和光电流的性能提升起到了很好的作用。结构优化与材料复合的共同作用效果使CuO-TiO2反蛋白石结构在模拟太阳光照射下的光催化降解亚甲基蓝速率与光电流强度分别是TiO2 NPs的3.25和5.1倍。
　　2.把二氧化钛制各成三维反蛋白石光子晶体结构。首次利用八乙基卟啉铂PtOEP作为敏化剂来敏化二氧化钛光子晶体结构。由于PtOEP在可见光区具备一定的吸收能力。PtOEP/TiO2反蛋白石结构的光响应范围红移至可见光区，拓宽了TiO2的光响应范围。结构优化与敏化剂的共同作用效果使PtOEP/TiO2反蛋白石结构在模拟太阳光照射下的光催化有机染料降解速率和光电流强度分别是TiO2纳米粒子的3.95和5.9倍。表明我们所制备的材料在太阳能电池光催化制氢及环境净化等方面有潜在的应用价值。
　　3.对二氧化钛纳米材料进行了多孔化处理，通过制备多孔的二氧化钛材料，增大比表面积，提高二氧化钛电极材料的利用率，改善充放电过程中的体积膨胀现象。同时由于二氧化钛比较低的导电性，我们对其进行进一步的金属化合物掺杂减小阻抗。这两个方法的共同作用，提高了二氧化钛材料的充放电容量以及循环效果。通过孔状结构设计二氧化钛材料的比表面积由原来的16.67m2/g增大到61.63m2/g。掺杂铁离子后阻抗值由330Ω减小到95Ω。锂离子电池在循环100次之后容量值为142mAh/g，相比较于纯的二氧化钛性能提升了1.35倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 二氧化钛的性质及其在各领域的应用

1．1．1 二氧化钛的性质

1．1．2 二氧化钛的应用

1．2 二氧化钛光电薄膜存在的问题与解决方法

1．3 孔状结构材料的性质及其在各领域的应用

1．3．1 光子晶体的概述

1．3．2 光子晶体的性质

1．3．3 蛋白石结构与反蛋白石结构的光子晶体

1．3．4 光子晶体的应用

1．4 二氧化钛锂离子电池的简述

1．5 本论文的研究思路与主要研究内容

参考文献

第二章 三维有序孔状结构CuO-TiO2的制备与光电性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验步骤

2．2．4 结构性能表征

2．2．5 光催化实验

2．2．6 光电流实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 产物形貌分析

2．3．2 产物物相分析

2．3．3 产物光催化性能分析

2．3．4 产物光电转换性能分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 八乙基卟啉铂敏化的二氧化钛光子晶体的制备及其光电性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验步骤

3．2．4 结构性能表征

3．2．5 光催化实验

3．2．6 光电流实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 产物形貌分析

3．3．2 产物物相分析

3．3．3 产物光催化性能分析

3．3．4 产物光电转换性能分析

3．3．5 产物光电性能增强机理

3．4 本章小结

参考文献

第四章 铁离子掺杂的孔状二氧化钛负极材料的制备及其锂离子电池性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验步骤

4．2．4 结构性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 产物形貌表征

4．3．2 产物物相表征

4．3．3 产物电化学性能分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 研究内容总结

5．2 后续研究计划与展望

致谢

硕士期间发表的论文