多層次結(jié)構(gòu)硅酸鹽復(fù)合材料的制備及其在水處理和鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、硅酸鹽是固體地球的主要組成成分，大自然中的硅酸鹽主要以島狀、鏈狀、網(wǎng)狀和層狀的形式存在，其中層狀硅酸鹽以其獨有的層狀孔道結(jié)構(gòu)而吸引了廣泛的研究。硅酸鹽材料由于其制備簡單、來源豐富、價格便宜、及獨特的多孔結(jié)構(gòu)在吸附、催化、藥物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但其固有的一些性能缺陷如導(dǎo)電性較差等又限制了實際的應(yīng)用。納米顆粒合成技術(shù)的發(fā)展使得各種形貌的硅酸鹽制備得以實現(xiàn)，也便于將硅酸鹽和其他材料進(jìn)行復(fù)合以克服其缺點，進(jìn)而發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。因此，本論文設(shè)計合

2、成了一系列具有多層次結(jié)構(gòu)的層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料，從組分和結(jié)構(gòu)上對硅酸鹽進(jìn)行優(yōu)化，提高其在水處理和鋰離子電池中的性能。例如，一維的碳納米管/層狀硅酸鎳的同軸結(jié)構(gòu)，二維的硅酸鎂/氧化石墨烯三明治結(jié)構(gòu)，三維的氧化鎂/介孔二氧化硅納米球核殼結(jié)構(gòu)。
　　本課題的創(chuàng)新點主要在于:1）首次研究了同軸結(jié)構(gòu)的硅酸鎳/碳納米管在鋰離子電池負(fù)極當(dāng)中的應(yīng)用。通過引入碳納米管，克服了硅酸鎳導(dǎo)電性能差的缺點，提高了復(fù)合材料的電化學(xué)性能。2）首次合成了三明治

3、結(jié)構(gòu)的硅酸鎂/石墨烯，并對其重金屬離子和染料的吸附能力進(jìn)行了研究。3）首次合成了硅酸銀/氧化石墨烯和硅酸銀/碳納米管，并對其光催化性能進(jìn)行了比較和研究。
　　1、使用碳納米管為物理模板和導(dǎo)電劑，合成了一維同軸結(jié)構(gòu)的硅酸鎳@碳納米管復(fù)合材料。層狀硅酸鎳納米片的層間距約為0.74納米，不僅有利于鋰離子的嵌入脫嵌，而且可以實現(xiàn)鈉離子嵌入脫嵌。碳納米管使復(fù)合材料的導(dǎo)電性能得以提升，有助于電子和鋰離子的傳輸;其空心管狀結(jié)構(gòu)也為循環(huán)充放電過程

4、中鋰離子嵌入和脫嵌提供了緩沖空間，有利于循環(huán)穩(wěn)定性能的提高。作為鋰離子電池負(fù)極，硅酸鎳@碳納米管在電流密度為50 mA/g的條件下，50圈的循環(huán)充放電之后，仍能維持489 mA h/g的可逆容量，遠(yuǎn)高于純硅酸鎳納米管的107 mAh/g，亦高于文獻(xiàn)報道的其他純硅酸鹽材料的可逆容量。
　　2、通過水熱法制備二維三明治結(jié)構(gòu)的硅酸鎂/石墨烯復(fù)合材料，研究其對有機(jī)染料和重金屬離子的吸附性能。BET比表面積達(dá)到450m2/g。復(fù)合材料對亞甲

5、基藍(lán)染料和鉛離子的吸附符合Langmuir吸附模型，對亞甲基藍(lán)和鉛離子的最大吸附量分別為424 mg/g和416mg/g，是純硅酸鎂材料的271％和126％。石墨烯不僅作為負(fù)載基體有效地分散硅酸鎂納米片結(jié)構(gòu)，提高了復(fù)合材料的比表面積;其自身具有的大量含氧官能團(tuán)也為復(fù)合材料提供了更多的吸附位點，微米尺寸片層結(jié)構(gòu)也使吸附劑可以在重力作用下進(jìn)行有效分離。除了保留各組分優(yōu)異物理化學(xué)特性，復(fù)合材料還表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，使機(jī)械穩(wěn)定性和吸附性能得以

6、提高。該復(fù)合材料在水污染處理領(lǐng)域有較好的應(yīng)用潛力。
　　3、合成了三維核殼結(jié)構(gòu)的氧化鎂@介孔二氧化硅復(fù)合材料。在由氧化鎂納米顆粒組裝形成的多孔微球外包覆一層介孔二氧化硅的外殼，不僅提高了氧化鎂的機(jī)械穩(wěn)定性，以防止在機(jī)械攪拌過程中結(jié)構(gòu)被破壞;同時還為溶液中污染物質(zhì)的擴(kuò)散提供了濃度梯度和更好的傳質(zhì)效果。合成的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料對鉛離子和亞甲基藍(lán)分別達(dá)到了3155毫克/克和420毫克/克的吸附容量，遠(yuǎn)高于純氧化鎂對鉛離子和亞甲基藍(lán)的245