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《兰州大学》 2017年
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自组装法制备金属氧化物纳米结构及其性能研究

杨娇  
【摘要】:基于石墨烯材料所表现出的独特性质,近些年,人们对二维(2D)结构金属氧化物的专注也越来越高。通过层状材料剥离得到的各种各样的金属氧化物(MoO_3、WO_3、V_2O_5)已经在电学、光学、电化学等领域表现出优异的性能,最新研究表明,由下而上的分子自组装法可以合成大部分的高质量的金属氧化物2D结构,如(ZnO、TiO_2、Co_3O_4、Fe_2O_3等),且合成过程并不受主体材料的限制。然而,对于这种方法合成的具有纳米结构金属氧化物材料的研究目前并未见太多系统和深入的报道。因此,本论文选择了功能化应用比较广泛的金属氧化物:TiO_2、Co3O4和Zn O,详细探究了这几种自组装纳米结构的合成方法,并对其在光催化、光探测以及锂离子电池应用方面的性能进行了系统研究。本论文的主要工作内容和结果如下:1.自组装法制备TiO_2纳米片及性能研究利用表面活性剂分子自组装法,通过合理控制表面活性剂P123的浓度、反应时间、反应温度,成功制备出均匀分散的高质量的TiO_2纳米片,纳米片尺寸大约在200 nm,厚度主要分布在1-7 nm范围。XRD结果显示TiO_2纳米片由锐钛矿和金红石两相组成,通过分析纳米片表面化学态,发现,由于2D纳米片呈现出极大的晶格畸变并伴随大量化学键的形成、断裂、扭曲,使得电子密度重新分配,导致2D TiO_2纳米片中Ti原子化学态降低,由于纳米片具有极小的尺寸使它表现出量子尺寸效应,禁带宽度增加。此外,深入研究了2D结构TiO_2纳米片在紫外光下降解有机染料的能力、对紫外光的响应能力、作为锂离子电池负极材料的电化学性能以及热稳定性能。实验结果如下:1.经500℃退火处理得到的TiO_2纳米片在紫外光下对罗丹明B有最好的催化能力,60 min之后的降解效率可以达到94.2%,并且TiO_2纳米片对甲基橙和甲基蓝也有非常优异的催化能力,当光照时间120 min之后,光催化效率分别可以达到91.5%和95.5%;2.TiO_2纳米片基紫外光探测器证明,该探测器对紫外光具有高的I light/I dark比(69383)和快速的响应时间(1.7 s),光敏性可以达到2638600%;3.TiO_2纳米片做为锂离子电池负极材料表现出非常高的循环稳定性以及较高的放电比容量,50次循环之后电池比容量保持在189 m Ah g-1,当以大倍率1675 m A g-1的电流密度充放电循环1000次时,电池的放电比容量一直可以稳定在100 m Ah g-1。4.通过对2D结构TiO_2纳米片热稳定性能系统研究,发现在这种特殊的2D形貌中存在不同于体材料的相转变延迟行为。这是由于纳米片中存在的反常相转变行为和形貌效应协同作用导致TiO_2纳米片中锐钛矿相转变行为滞后,最终使锐钛矿相可以稳定到850℃。2.TiO_2纳米片复合材料制备实验发现,2D结构TiO_2纳米片表面包含大量羟基,所以我们不通过任何预处理,简单的利用多羟基法制备了TiO_2纳米片/Fe3O4纳米颗粒复合结构、TiO_2纳米片/Fe_2O_3纳米颗粒复合结构、N掺杂TiO_2纳米片以及TiO_2纳米片包裹碳颗粒的复合结构。并对其光催化性能进行了研究。3.自组装法制备Co3O4纳米片及锂电性能研究利用表面活性剂自组装法成功制备了超薄介孔结构的Co3O4纳米片,经过300℃退火处理之后的纳米片具有更薄的形貌(边缘厚度2.1-2.7 nm)、更细小的颗粒尺寸(平均颗粒尺寸6.7 nm)、更大的比表面积(94.3 m2 g-1)以及更小的孔径分布(5-10 nm),这些形貌优势赋予了它更优异的电化学性能,作为锂离子电池负极材料,表现出超高的放电比容量(1868.6 m A h g-1),30次循环之后容量保留率高达99.3%,库伦效率接近100%,而且在大电流充放电循环过程中比容量呈现出负的衰退率,除此之外,还表现出非常优异的循环倍率性能。4.自组装法制备壳层结构Zn O空心球及紫外传感器性能研究受到分子自组装方法制备纳米材料的启发,首次采用分子自组装法合成了壳层结构Zn O空心球,属纤锌矿结构,空心球直径大约700 nm,并对其光探测性能进行了研究,实验获得了具有高灵敏性的Zn O空心球UV传感器,I light/I dark比大于2000,响应恢复时间仅0.6 s。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O611.62

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