納米片層及分級結(jié)構(gòu)的制備與應(yīng)用研究.pdf

1、二維納米片層具有極大的表面積、豐富的活性位點及獨特的光電特性，在電化學儲能、光電、催化等領(lǐng)域蘊藏著巨大的應(yīng)用價值。納米片層材料的性能受其形貌和結(jié)構(gòu)的影響較大，因此對于納米片層分級結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)筑、可控制備與功能化應(yīng)用研究將是納米學科發(fā)展的趨勢之一。納米片層分級結(jié)構(gòu)是將納米片層單元按照一定規(guī)律排列或組裝形成的一種具有多層次、多組分的新型分級結(jié)構(gòu)，這種新型結(jié)構(gòu)不但繼承了納米片層單元的功能優(yōu)勢，而且具備分級結(jié)構(gòu)的耦合作用和協(xié)同效應(yīng)，拓展了納米片

2、層在電化學儲能、催化、生物檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文圍繞納米片層分級結(jié)構(gòu)的設(shè)計與可控制備，開展材料結(jié)構(gòu)與特性的研究，開發(fā)其在鋰離子電池與表面增強拉曼光譜檢測(SERS)中的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容如下:
　　采用非強堿強酸的一步溶劑熱法合成了TiO2(B)球形分級結(jié)構(gòu)和串狀分級結(jié)構(gòu)，它們均由超薄的TiO2(B)納米片層構(gòu)成，擁有較大的比表面積、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、獨特的贗電容嵌鋰特性，有利于離子的快速傳輸和可逆存儲。探索了這兩種TiO2(B

3、)納米片層分級結(jié)構(gòu)在鋰離子電池中的應(yīng)用，結(jié)果表明，在5C倍率下循環(huán)1000次后，TiO2(B)串狀分級結(jié)構(gòu)容量可高達186.8 mA h g-1，相應(yīng)的容量損失小于8％。此項結(jié)果較好地驗證了TiO2(B)分級結(jié)構(gòu)的鋰離子存儲優(yōu)勢，為TiO2負極材料的發(fā)展提供了思路。
　　利用葡萄糖輔助水熱法將MoS2納米片層負載于TiO2納米線上構(gòu)建了一種TiO2@MoS2分級結(jié)構(gòu)復合材料，探索了TiO2@MoS2的生長機理。將TiO2@MoS2

4、運用于鋰離子電池中進行電化學測試，結(jié)果表明，TiO2@MoS2分級結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部的兩種有效成分表現(xiàn)出協(xié)同儲鋰作用，極大地改善了電極材料的電化學性能。TiO2@MoS2電極在100 mA g-1的電流密度下循環(huán)100次后，其放電容量仍能保持544 mA h g-1，相應(yīng)的庫倫效率大于99％。TiO2@MoS2電極的倍率性能也十分優(yōu)異，在1000 mA g-1的大電流密度下可產(chǎn)生414 mAh g-1的比容量。此項研究結(jié)果為復合分級結(jié)構(gòu)負極

5、材料的設(shè)計提供了依據(jù)。
　　采用低溫溶劑熱法制備了低晶態(tài)的多硫化鉬(LCMS)團簇及CNTs@LCMS分級結(jié)構(gòu)。材料表征結(jié)果表明，這種LCMS電極材料由層狀的MoS2與非晶態(tài)的MoS3混合組成，其中Mo∶S為1∶2.75。利用電化學測試表征了它們的鋰離子存儲特性，LCMS展現(xiàn)出一種與常規(guī)MoS2電極不同的新型電化學儲鋰過程，CNTs@LCMS電極材料更展現(xiàn)出明顯的容量上升趨勢。通過研究發(fā)現(xiàn)這種不尋常的容量增加現(xiàn)象可能是由于新形成的

6、MoS3增加了鋰離子的存儲量，且CNTs@LCMS分級結(jié)構(gòu)緩解了電極體積的變化所引起的。此外，通過模擬計算與實驗數(shù)據(jù)結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)CNTs@LCMS的容量上升現(xiàn)象能夠有效地延長電池的循環(huán)壽命達到200％。此項研究為過渡金屬硫化物片層材料的多樣性研究提供了參考。
　　利用低溫溶液法將Zn2GeO4納米顆粒原位生長于g-C3N4片層基底，實現(xiàn)了Zn2GeO4納米顆粒與大面積超薄g-C3N4片層的雜化復合，成功制備出Zn2GeO4/g

7、-C3N4夾層式分級結(jié)構(gòu)。作為鋰離子電池負極材料，Zn2GeO4/g-C3N4在200mA g-1的電流密度下充放電140次后仍能產(chǎn)生1370mAhg-1的高容量，在2000 mAg-1的大電流密度下呈現(xiàn)出950 mAh g-1的高倍率容量。電化學研究結(jié)果表明，Zn2GeO4/g-C3N4分級結(jié)構(gòu)在鋰離子存儲過程中表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，因而展現(xiàn)出理想的可逆容量，持久的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的倍率特性。此項研究結(jié)果為高性能鋰離子電池負極材料的開