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《湖南大学》 2018年
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钛基多级结构在光催化及能源存储中的应用研究

石惠民  
【摘要】:新能源的开发与利用是有效应对当前环境污染和能源危机的关键。通过选择合适的材料体系来实现太阳能的高效转换、存储以及利用其促进光/电化学反应对彻底解决能源和环境问题有重要的意义。本论文以钛基材料为基础,重点研究了柔性碳布负载的钛基多级结构在可见光降解污染物、光电化学分解水制氢以及锂离子电池能源存储等领域的应用,主要包括:(1)通过水热合成过程结合化学气相沉积的方法制备了柔性碳布衬底负载、金纳米颗粒修饰的TiO_2纳米棒阵列多级结构(Au-TiO_2 NRAs),并详细研究了其在可见光下的光催化性能。Au-TiO_2 NRAs结构的可见光催化降解污染物的能力比纯的TiO_2 NRAs提高了13倍。此外,该体系也具有良好的循环稳定性,在经过连续60天的搅拌后,催化活性几乎没有衰减,可实现100%的循环重复使用。结合FDTD理论模拟,我们系统研究了该复合体系可见光光催化性能提升的主要机制。其中,Au纳米颗粒在可见光区强的LSPR吸收产生热电子,随后热电子越过Au/TiO_2界面处的肖特基势垒转移到TiO_2导带,最后迁移到催化剂表面参与光催化分解污染物的氧化还原反应。这种可见光下具有热电子的产生以及随后的迁移有效抑制了光生载流子的复合,提高了其利用效率,进而改善了整个体系的可见光催化能力。(2)基于晶面工程原理,通过控制材料生长过程制备了高能晶面暴露的锐钛矿TiO_2纳米片阵列结构(TiO_2 NS),并通过Au纳米颗粒修饰得到了具有高太阳光催化能力的Au-TiO_2 NS多级体系。我们系统研究了影响纳米片厚度以及控制高能{001}晶面和{101}晶面比率的因素,成功实现了对这两者的有效调控。这种{001}高能面暴露的Au-TiO_2 NS多级体系展现出优异的光催化能力,在AM1.5G模拟太阳光作用下,其光降解性能提高了8倍,且具有超高的循环稳定性。样品的紫外-可见吸收结果以及FDTD数值模拟表明Au纳米颗粒在可见光区有强的LSPR吸收,同时在Au/TiO_2界面处形成了很多高电场局域的“热点”,这有利于整个体系太阳光的利用率以及光电化学反应速率的提升。另外,Au-TiO_2 NS中LSPR诱导的热电子由Au纳米颗粒到TiO_2纳米片{001}晶面再到{101}晶面的“串联式”的转移过程,有效地抑制了光生电子-空穴的复合率,改善了整个结构太阳光催化性能。(3)利用新的金属镁粉辅助的方法,以TiO_2 NRs为前驱物,环保、廉价、安全的N_2为氮源,制备了具有高锂离子存储性能的多孔TiN NRs结构。结合系统的实验设计,我们发现TiO_2前驱物的氮化包括两个阶段:首先,Mg粉与N_2反应生成还原性的Mg_2N_3中间物,随后Mg_2N_3再与TiO_2反应生成最终的TiN NRs。多孔TiN NRs结构基本保持了TiO_2 NRs前驱物的形貌,说明整个反应过程具有良好的保形性。TiN NRs多级结构被直接用作无粘结剂锂电负极材料时展现出了良好的锂电循环性能和倍率表现。(4)设计并合成了一种超小纳米晶颗粒构筑的钛酸锂多孔三维结构。我们以锐钛矿TiO_2纳米片为前驱物,经过刻蚀、锂化等过程制备了具有高倍率性能和超长充放电循环稳定性的Li_4Ti_5O_(12)负极材料(LTO NCs)。经过原位的刻蚀和锂化过程,TiO_2纳米片转变成超小Li_4Ti_5O_(12)纳米晶的多孔互连结构。这种结构一方面有利于电子、离子以及电解液的扩散,另一方面也增加了电极材料的活性反应表面积,有利于大电流密度下电极的充放电性能的提升。另外,我们进一步制备了均匀碳层包覆的C@LTO NCs复合结构。碳包覆层在提高复合体系的电导率的同时还起到了稳定多级结构的作用。本论文以钛基材料为基础,设计并合成了多种柔性导电碳布负载的钛基多级体系,并研究了其在可见光催化和LIBs等能源存储领域的应用。这类多级结构具有优异的循环稳定性和光/电化学性能,在柔性器件及可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用前景。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O643.36;TB383.1

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