钛钒氧化物微/纳米结构的设计制备及其光电应用研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:volcano928812
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钛、钒氧化物(TiO2和VO2)由于其杰出的物理化学性能,被广泛应用在锂离子电池、染料敏化太阳电池、光催化和节能玻璃窗等领域,而制备具有良好结晶性和特定化学组成的微/纳米分级结构是实现钛、钒氧化物功能材料高效利用的关键。本论文从微水环境的控制、多功能模板的引入、特殊前驱体的合成、衬底基片的诱导等角度出发进行TiO2和VO2微/纳米结构的设计制备研究,开发了一系列简单、可控、智能的新型合成方法。取得的主要创新成果如下:   1.开发了一种氨基酸辅助溶剂热法用于可控制备TiO2介孔空心微/纳米结构。氨基酸在整个合成过程中起着多功能的作用,可同时作为自牺牲模板、基团交换剂、供水剂以及结构调控剂。氨基酸分子的等电点(pI)直接决定了其对于TiO2微观形貌调控能力的强弱,高等电点的氨基酸(如赖氨酸和精氨酸)具有更强的结构导向功能,更有利于得到片状组装的空心微/纳米分级结构。赖氨酸和精氨酸辅助溶剂热制备的TiO2多孔空心球样品和多孔核-壳结构样品在锂电池、光催化和染料敏化太阳电池等领域表现出良好的应用潜力。   2.开发了一种简单的有机酸辅助溶剂热法用于制备具有一定单分散性和形貌均一性的TiO2开口空心球结构。有机酸在该合成过程中起多重作用,既与醇溶剂发生酯化反应缓慢释放水分,又与钛源进行基团交换,影响其水解时的羟基化和缩聚过程。将TiO2开口空心球用作锂电池负极材料时,由于其表面开孔利于电解液进入腔体内部而增加有效反应表面积,因此获得了比无开口TiO2微球更好的倍率充放电性能。   3.开发了一种用于制备高结晶性TiO2微/纳米分级结构的高温(350℃)溶剂热法,其反应体系只由无水乙醇与钛酸四丁酯两种物质组成,钛酸四丁酯水解所需的水分由体系在高温高压下的自发化学反应引入。该方法所制得的由高结晶性TiO2纳米晶组装而成的空心微米球,尽管比表面积只有商用P25的一半,但其光催化性能却与P25相当,并且微米级的分级结构使得它比P25更易回收和再利用。   4.开发了一种硫酸盐辅助高温溶剂法用于一步法制备TiO2与金属硫化物的复合微/纳米结构。带结晶水的金属硫酸盐在合成过程中可扮演多功能的角色,如球形模板、供水剂、成分控制剂等,其在350℃的高温高压条件下易被体系中产生的还原性气氛还原成金属硫化物。其中所制得的TiO2/CdS复合微米球样品由于具有高结晶性的纳米颗粒和高质量的异质界面,表现出更为优越的可见光光催化性能。   5.借助于一种自制的具有特殊自组装性能的有机钒源前驱体--十六烷基三甲基偏钒酸铵(CTAV),我们成功制备了VO2纳米粒子组装薄膜。该薄膜特有的微/纳米分级多孔结构极大地提高了可见光透过率,同时,VO2纳米粒子的组装密度可以通过改变成膜过程中的提拉速度进行有效调节,相应地,薄膜的可见光透过率和近红外光调光性能也可在很大范围内进行调控,从而为制备具有优异综合光学性能的VO2薄膜提供了借鉴。   6.成功利用TiO2、SnO2、ZrO2、FTO等衬底的诱导作用水热制备了具有特定微/纳米结构的VO2薄膜,系统研究了VO2薄膜的水热生长过程及钒前驱液浓度、pH值等对于薄膜生长的影响,初步研究了VO2@FTO异质微/纳米结构薄膜的电化学性能。
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