新型TiO2復合物的制備及其在儲能及光催化領域應用研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)具有高效，無毒，成本低，化學穩(wěn)定性好等特點，在鋰離子電池電極材料和光催化材料領域備受關注。就理論而言，TiO2單胞嵌入一個鋰離子后理論比容量可達335mAh g-1，且其在充放電過程中表現出優(yōu)異的電化學和結構穩(wěn)定性，已然成為一類極具潛力的鋰離子電池負極材料。然而在實際應用中，由于TiO2的室溫嵌鋰系數僅為0.6左右，這極大限制了其實際儲鋰能力。作為光催化劑而言，TiO2在紫外光作用下，其表現出優(yōu)異的光催化活性和穩(wěn)定性

2、，可廣泛應用于有機物的降解。然而由于TiO2的禁帶寬度較寬(3.2eV)，光響應范圍只局限于紫外光部分，因此TiO2的實際光催化性能受光波長影響較大，且效率較低。針對上述問題，本文在對TiO2的結構、合成、儲鋰性能和光催化性能改性進行綜述的基礎上，系統研究了TiO2及其復合物的合成、微結構特征、電化學儲鋰性能和光催化性能，揭示了結構與性能間的關系。該研究對于提高TiO2在鋰離子電池中的儲鋰性能與擴大TiO2的光響應范圍提供了一定的理論基

3、礎。具體結論如下:
　　(1)采用一種簡單的水熱法，合成了一維TiO2納米針與二維rGO納米片的復合物。微結構研究表明，水熱法合成的納米針TiO2為金紅石結構，TiO2納米針均勻地分散于石墨烯納米片上，形成比較穩(wěn)定的復合結構。電化學測試表明:該材料在0.1C下具有優(yōu)異的可逆放電比容量(427.6mAh g-1)，即使在高倍率，5C下也能保持較高的放電比容量（149mAh g-1）。在1C下，循環(huán)50次后，TiO2/rGO仍190m

4、Ah g-1的可逆容量，展示了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。進一步研究表明，金紅石TiO2納米針/rGO納米片復合物的這種特殊的1D/2D結構，可縮短鋰離子和自由電子的傳輸路徑，提高鋰離子和電子的傳輸效率，同時提高其結構穩(wěn)定性。這是TiO2電化學儲鋰性能明顯改善的主要原因。
　　(2)利用水熱法合成了TiO2與鎢酸鉍(Bi2WO6)的復合物。采用XRD對其成分進行表征，發(fā)現該復合物是由銳鈦礦TiO2與正方晶系的Bi2WO6組成。微結構研究發(fā)現

5、， Bi2WO6顆粒均勻緊密地鑲嵌在TiO2表面，構成齒帶狀復合結構。光響應范圍以及光降解測試表明，Bi2WO6/TiO2復合物相比較純TiO2而言，禁帶寬度發(fā)生了紅移，在可見光下也能對有機污染物(X-3B)降解，其降解效率達到了60％，甚至高于純相Bi2WO6（效率僅為40％）。實驗結果表明:Bi2WO6為窄禁帶寬度半導體材料，能有效利用可見光產生電子和空穴。Bi2WO6與TiO2復合后，電子和空穴得到了轉移，不僅提高了光生電子-空穴

6、的壽命，同時擴大了光響應范圍，提高了對太陽光的利用率。
　　(3)以小球藻和SiO2為模板分別合成了兩種空心結構的TiO2。XRD表征發(fā)現，合成的TiO2均為銳鈦礦型。SEM觀察發(fā)現，由Stober法合成的SiO2分散性較好，且粒徑大小均勻，而小球藻本身顆粒較大，且不規(guī)整。在紫外光下對甲基橙進行光降解測試表明，以SiO2為模板合成的空心TiO2的性能優(yōu)于以小球藻為模板的產物。研究發(fā)現，以小球藻為模板得到的TiO2，煅燒溫度越高，光

7、降解性能越好。以SiO2為模板制得的空心TiO2與其堿泡時間密切相關，隨著堿泡時間的延長，降解性能不斷提高，直至堿泡達到21h，降解性能達到最優(yōu)，45min后降解率可達到100％。而在接下來的堿泡過程中，性能反而降低。結合XRD與SEM可知，TiO2的含量隨著堿泡時間的增加而增加，且在21h前其形貌都能較好的保持，因此在紫外光下對甲基橙的降解效率也隨之得到提高。而堿泡26h后的TiO2形貌發(fā)生了坍塌，性能隨之降低。結合氮氣吸脫附測試，揭