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纳米二氧化钛/多孔碳纳米纤维复合材料用于光催化和储锂的研究

作　者: 杨秀娟
导　师: 于运花
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 纳米二氧化钛 多孔碳纳米纤维 静电纺丝 光催化剂 电极材料
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


众所周知,纳米二氧化钛(TiO2)在污水处理、空气净化、催化制氢,和储存太阳能、光电转换和锂离子电池材料及等方面发挥着重要的作用,因此,纳米二氧化钛材料一直是当今研究的热点。但是,纳米TiO2易团聚失活,不易回收,光催化效率比较低,循环容量低等缺点限制了其大规模的应用,而对纳米TiO2与多孔碳纳米纤维进行复合可以有效地提高其光催化效率和电化学性能。本文采用溶胶-凝胶法与静电纺丝法相结合的实验方法制得了TiO(OAc)2/PMMA/PAN杂化纳米纤维,并依次通过预氧化、水解和碳化处理,得到了纳米二氧化钛/多孔碳纳米纤维(H-TiO2/PCNFs),以及通过预氧化和碳化处理,得到了纳米二氧化钛/多孔碳纳米纤维(Ti02/PCNFs)。采用TGA探讨了合适的预氧化处理温度,通过FESEM、TEM、XRD、FT-IR对材料的形貌、晶相和化学组成进行了表征,并以甲基橙为目标降解物,分析光催化剂的光催化性能,将材料组装成2025式纽扣电池,用Land测试系统分析了电极材料的储锂性能。研究结果表明,电纺TiO(OAc)2/PMMA/PAN纳米纤维表面凹凸不平,经过280℃预氧化5.5h后,纤维直径收缩,经水解和600℃碳化处理2h后,得到纤维直径为600nm光催化剂材料,纤维表面出现了不连续的孔,粒径约为5nm的锐钛矿TiO2均匀的分布在H-TiO2/PCNFs的表面和内部,紫外光照射下,H-TiO2/PCNFs光催化剂材料分别比纳米二氧化钛/碳纳米纤维(H-TiO2/CNFs)和碳纳米纤维(CNFs)的光催化效率要高16.1%和42.0%；将预氧化的纤维不经过水解直接在600℃下碳化处理2h,所得到的纳米纤维直径也在600nm,不连续的孔分布在TiO2/PCNFs表面和内部,粒径约为11nm的锐钛矿TiO2颗粒也均匀的分布在TiO2/PCNFs中,在相同的条件对复合电极材料进行电学性能测试,发现不同组成的(PAN:PMMA=5:1,3:1,2:1)的TiO2/PCNFs比纳米二氧化钛/碳纳米纤维(TiO2/CNFs, PAN:PMMA=1:0)在大电流密度下具有更高的电池容量和循环稳定性。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章 绪论  15-31
  1.1 引言  15-16
  1.2 TiO_2光催化剂的研究进展  16-23
    1.2.1 TiO_2的晶型结构与光催化原理  16-17
    1.2.2 纳米二氧化钛光催化剂的制备方法  17-19
    1.2.3 二氧化钛光催化剂的负载化研究  19-23
  1.3 TiO_2锂离子电极材料的研究  23-29
    1.3.1 锂离子电池的工作原理  24-25
    1.3.2 二氧化钛用作锂离子电池材料的优缺点  25
    1.3.3 二氧化钛电极材料的主要研究方向  25-27
    1.3.4 静电纺丝法制备纳米纤维膜电极材料的研究  27-29
  1.4 论文的研究目的意义与内容  29-31
第二章 实验部分  31-37
  2.1 实验原料  31
  2.2 实验仪器  31-32
  2.3 实验过程  32-33
    2.3.1 电纺纳米纤维的制备  32
    2.3.2 预氧化纳米纤维的制备  32
    2.3.3 多孔碳纳米纤维负载纳米二氧化钛复合材料的制备  32-33
    2.3.4 参比物样品的制备  33
  2.4 材料表征测试  33-37
    2.4.1 电纺纳米纤维原丝预氧化温度的确定  33
    2.4.2 材料的形貌结构表征  33-34
    2.4.3 材料的晶相结构表征  34
    2.4.4 材料的化学组成分析  34
    2.4.5 材料的吸附性能测试  34-35
    2.4.6 H-TiO_2/PCNFs的光催化性能测试  35
    2.4.7 TiO_2/PCNFs的储锂性能测试  35-37
第三章 电纺纳米纤维预氧化温度的探讨  37-41
  3.1 相关材料的TGA分析  37-38
  3.2 相关材料的FT-IR分析  38-39
  3.3 本章小结  39-41
第四章 H-TiO_2/PCNFs光催化剂的性能研究  41-49
  4.1 纳米纤维表面形貌分析  41-43
    4.1.1 电纺纳米纤维的表面形貌  41-42
    4.1.2 预氧化纳米纤维的表面形貌  42
    4.1.3 碳化处理后的纳米纤维的表面形貌  42-43
  4.2 光催化剂材料的结构组成分析  43-46
    4.2.1 H-TiO_2/PCNFs纳米纤维的晶相结构分析  43-44
    4.2.2 H-TiO_2/PCNFs纳米纤维的内部结构分析  44-45
    4.2.3 H-TiO_2/PCNFs纳米纤维的化学组成分析  45-46
  4.3 材料的光催化性能分析  46-47
  4.4 本章小结  47-49
第五章 TiO_2/PCNFs电极材料的储锂性能研究  49-59
  5.1 纳米纤维表面形貌分析  49-50
  5.2 电池材料的结构组成分析  50-52
    5.2.1 TiO_2/PCNFs纳米纤维的晶相结构分析  50-51
    5.2.2 TiO_2/PCNFs纳米纤维的内部结构分析  51-52
  5.3 电池材料的储锂性能分析  52-57
    5.3.1 不同组成的电池材料的首次嵌锂行为  52-53
    5.3.2 不同组成的电极材料的循环性能  53-56
    5.3.3 不同组成的电极材料的CV测试  56-57
  5.4 本章小结  57-59
第六章 结论  59-61
参考文献  61-67
致谢  67-69
研究成果及发表的学术论文  69-71
作者和导师简介  71-73
附录  73-74

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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