三維納米多孔鈦基復(fù)合膜的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的不斷進步，信息、能源和材料已經(jīng)成為新科技革命的三大支柱產(chǎn)業(yè)。一方面，隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，平板電腦、移動電話和數(shù)碼相機等各種便攜式設(shè)備層出不窮，而這些便攜式電器高度依賴于高比能量、輕便、長壽命的電源;另一方面，由于化石燃料的枯竭以及由此帶來的環(huán)境污染問題，科學(xué)家們一直致力于開發(fā)新型可再生綠色能源。因此，成功開發(fā)廉價、高效、安全、環(huán)境友好的能源儲存系統(tǒng)顯得尤為重要。
　　在眾多的能源儲存系統(tǒng)中，電化學(xué)儲能裝置

2、具有顯著的優(yōu)越性，如高效性、多樣化和靈活性，是目前最有前景的手段之一。超級電容器和鋰離子電池則是當(dāng)前最典型、應(yīng)用最廣的電化學(xué)儲能裝置。無論是超級電容器還是鋰離子電池，所使用的電極材料都是整個系統(tǒng)的核心，它直接決定了產(chǎn)品的性能。而對于電極材料本身來說，微觀形貌、結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、比表面積等都對其性能的發(fā)揮起著重要的作用。
　　針對當(dāng)前電極材料的不足，本文通過脫合金法、水熱法、回流法以及電沉積等方法制備了一系列具有三維納米多孔結(jié)構(gòu)的電極材

3、料，并系統(tǒng)研究了電極材料的電化學(xué)性能，取得了如下創(chuàng)新性成果:
　　(1)采用一種新穎的脫合金法成功制備了三維納米多孔鈦，整個制備過程涉及鈦-鋅合金層的熱處理與堿溶過程。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)等手段對電極的形貌和物相結(jié)構(gòu)進行了表征。研究表明，三維納米多孔鈦膜的厚度、孔徑及孔隙率可以通過改變前驅(qū)體熱處理溫度進行有效調(diào)節(jié)。
　　(2)進一步通過水熱法制備了三維納米多孔Ti/SnO2復(fù)合膜電

4、極，并將其應(yīng)用到鋰離子電池負極材料。結(jié)果表明:三維多孔Ti/SnO2復(fù)合膜電極具有較高的儲鋰容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，首次嵌鋰容量達616.0mAh·g-1，并且在50次循環(huán)后容量仍維持在470.5mAh·g-1。良好的電化學(xué)性能主要歸因于三維多孔復(fù)合膜中納米孔隙有效地緩解了鋰離子嵌入/脫出時引起的結(jié)構(gòu)變化，而且納米氧化錫顆粒和多孔鈦基體的復(fù)合也減輕了電極材料的體積效應(yīng)并改善了其導(dǎo)電性。
　　(3)通過高溫回流法將多孔Ti基體成功的

5、轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)狀多孔TiO2薄膜。研究表明，多孔TiO2薄膜由內(nèi)徑為5～10 nm、長度約為1.5μm的TiO2納米管相互纏繞形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)用作超級電容器電極材料時，氫化處理后的三維網(wǎng)狀多孔TiO2薄膜顯示了優(yōu)良的電化學(xué)性能，當(dāng)掃描速率為100mV·s-1時，具有1.05mF·cm-2的比電容。此外，在100μA·cm-2的電流密度下進行1000次充放電后，仍具有93％的容量保持率。
　　(4)通過陽極氧化和高溫氮化法成功將三

6、維納米多孔Ti基體轉(zhuǎn)變?yōu)槿S納米多孔TiN基體，并采用電沉積法合成了多孔TiN-MnO2納米線復(fù)合材料。電化學(xué)測試表明，復(fù)合材料具有良好的電化學(xué)性能。所得電極在2A·g-1的電流密度下比電容高達875F·g-1;在更大的電流密度下(20A·g-1)比容量仍然有459F·g-1;并且在8A·g-1的電流密度下經(jīng)過1000次循環(huán)后，仍具有78.4％的容量保持率。良好的電化學(xué)性能主要歸因于高導(dǎo)電的多孔TiN基體為復(fù)合材料提供了更快的電子傳導(dǎo)率