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金属氧化物基复合材料的制备及其性能研究

作　者: 朱道政
导　师: 沈玉华
学　校: 安徽大学
专　业: 应用化学
关键词: TiO2 石墨烯制氢 CuO 锂离子电池 Cu2O 光催化
分类号: TQ123.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

近年来,随着全球经济与工业的发展,大量不可再生化石能源的消耗,导致了严重的资源枯竭和环境污染问题。因此,清洁可再生能源的制备使用和环境污染的处理就引起了人们越来越多的重视。而金属氧化物材料,如：Ti02、CuO等,因其廉价,易于制备,材料性能较为稳定等诸多优点,一直都是人们研究的热点。但是,由于金属氧化物材料普遍催化活性差,电化学性能差和不易循环再利用等问题的存在,也限制了材料的可应用性。通过对金属氧化物材料进行复合改性,提高材料活性也就成为当前研究的一个重要方面。在本文中,我们从清洁能源和环境催化入手,首先通过溶胶凝胶与水热相结合的方法制备出Ti02/石墨烯纳米复合物,探讨了复合材料光催化剂光解水制氢性能,再通过石墨烯与CuO的复合,制备出介孔棒状CuO与石墨烯的复合纳米材料,探讨了其作为锂电阳极材料的电池性能。另外,我们还通过一步溶剂热法,制备出三维片层自组装结构的Fe3O4@Cu2O/Ag复合物,该复合材料具有很好的可见光光催化活性,稳定性及可循环利用性。论文主要研究内容如下：1.通过将溶胶凝胶与水热相结合的一步法制备出TiO2/rGO复合材料,使用这种简单的一步法,在不加入任何还原剂和表面活性剂的条件下,可使Ti02前驱体的水解和氧化石墨烯的还原同步进行。通过表征我们发现,Ti02纳米粒子均匀的负载于石墨烯片层的表面并具有很好的分散性。样品的光催化水分解制氢性能测试表明,该方法制备的TiO2/rGO复合材料的制氢效率有了很大的提高,与纯的Ti02纳米颗粒相比,复合物4小时的制氢量增大了3.5倍。同时,其制氢效率也比商业P25要高出2.3倍之多。2.利用水热合成方法,制备氧化铜纳米棒与石墨烯的复合材料。通过表征我们发现,石墨烯片层上生长的CuO呈三维介孔纳米棒状结构。将复合材料用于锂离子电池阳极进行充放电性能测试,我们发现,与纯的CuO相比,由于复合阳极材料中有石墨烯的加入,增强了离子和电子的传输性能,使其不论在可逆容量还是循环寿命上均有较大的提高。样品经过50次循环后,放电比容量依然可以稳定在470mAh/g左右,展现出了良好的循环稳定性。3.我们首先使用简单的共沉淀法制备出颗粒均匀的Fe304纳米粒子,再通过一步法制备出纳米片层自组装的Fe3O4@Cu2O/Ag复合物,其中纳米片的厚度约为150m。该复合物在可见光条件下对甲基橙染料展现出了良好的催化活性,在光照40分钟后催化效率即可达97.7%。同时,因复合物中Ag的存在,不仅提高了其催化效率,同时对Cu20的光腐蚀起到极大的抑制作用,经过5次循环,其催化效率依然可接近90%,展现出了比Fe3O4@Cu2O更高的催化活性和稳定性。另因有Fe304的存在,可通过磁性使复合物有效的回收和循环再利用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-10
第一章绪论  10-27
  1.1 金属氧化物在光催化制氢上的应用及其研究现状  11-12
  1.2 TiO_2材料在光催化制氢上的应用,不足及改性  12-15
  1.3 锂离子电池简述及金属氧化物在锂离子电池上的应用  15-18
  1.4 CuO在锂离子电池上的应用,不足及改性  18
  1.5 金属氧化物在可见光下催化降解污染物的应用  18-20
  1.6 氧化亚铜在可见光下催化污染物的应用及其不足与改性  20-21
  1.7 本论文的设计思路与研究内容  21-22
  参考文献  22-27
第二章 TiO_2/rGO复合纳米材料的一步法制备及其光催化制氢性能研究  27-42
  2.1 引言  27-28
  2.2 实验部分  28-31
    2.2.1 实验试剂  28
    2.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备  28-29
    2.2.3 TiO_2/rGO纳米复合材料的制备  29
    2.2.4 表征  29-30
    2.2.5 光电流性能测试  30
    2.2.6 光解水制氢实验  30-31
  2.3 结果与讨论  31-39
    2.3.1 GO的表征  31-32
    2.3.2 复合材料的表征  32-36
    2.3.3 产物的形成机理  36-37
    2.3.4 产物的光电化学性质  37-38
    2.3.5 产物的光催化制氢性质  38-39
  2.4 本章小结  39-40
  参考文献  40-42
第三章介孔CuO纳米棒/石墨烯复合阳极材料的制备及其锂离子电池性能研究  42-54
  3.1 引言  42-43
  3.2 实验部分  43-45
    3.2.1 实验试剂  43
    3.2.2 GO的制备  43
    3.2.3 CuO/rGO复合物的制备  43
    3.2.4 CuO的制备  43-44
    3.2.5 表征  44
    3.2.6 电池组装及充放电性能测试  44-45
  3.3 结果与讨论  45-51
    3.3.1 复合物的表征  45-49
    3.3.2 产物的电池性能测试  49-50
    3.3.3 产物的阻抗分析  50-51
  3.4 本章小结  51
  参考文献  51-54
第四章 Fe_3O_4@Cu_2O/Ag复合物的制备及其可见光光催化性能研究  54-65
  4.1 引言  54-55
  4.2 实验部分  55-57
    4.2.1 实验试剂  55
    4.2.2 Fe_3O_4纳米颗粒的合成  55
    4.2.3 Fe_3O_4@Cu_2O/Ag复合物的制备  55-56
    4.2.4 Fe_3O_4@Cu_2O的制备  56
    4.2.5 表征  56
    4.2.6 光催化降解甲基橙实验  56-57
  4.3 结果与讨论  57-62
    4.3.1 产物物相分析  57-58
    4.3.2 产物形貌表征  58
    4.3.3 产物的磁性分析  58-59
    4.3.4 产物的光学性质分析  59-60
    4.3.5 产物形成机理讨论  60-61
    4.3.6 产物的可见光催化性质研究  61-62
  4.4 本章小结  62-63
  参考文献  63-65
致谢  65-66
硕士期间发表的论文  66

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