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本文以金红石型二氧化钛为原料,采用碱性条件下的水热法合成了质子钛酸盐纳米管(纤维),并在此基础上制备了一系列二氧化钛及其复合材料,采用XRD、TEM、HRTEM、EDS和ICP等对其结构和形貌进行了表征,采用恒电流充放电测试、循环伏安法以及交流阻抗测试研究了其电化学嵌/脱锂性能。
首先采用制备的质子钛酸盐纳米管和纳米纤维为起始物,通过二次水热反应,得到了不同形貌的锐钛矿型二氧化钛,并且研究了其电化学性能。结果表明,质子钛酸盐纳米管在80～120℃条件下水热处理48 h后,得到了锐钛矿型的二氧化钛钠米颗粒,而且颗粒大小随着水热温度的升高而增大。恒电流充放电测试表明,水热温度为80℃时得到的样品放电容量最高,循环稳定性最好,在电流密度为50 mA/g时,首次放电容量可达288 mAh/g。而质子钛酸盐纳米纤维在80～120℃条件下水热处理48 h后,则得到了锐钛矿型的二氧化钛纳米纤维,其中水热温度为120℃时得到的样品,在电流密度为50 mA/g时,首次放电容量为291 mAh/g,循环稳定性最好。
将制备出的质子钛酸盐纳米管在400℃氩气气氛下烧结,得到了锐钛矿相和TiO2(B)相两相混合的TiO2纳米管,并采用过渡金属氧化物(CoO,NiO和CuO)对其进行了修饰。研究表明,过渡金属氧化物的纳米颗粒嵌入到二氧化钛纳米管内或附着在管外壁上,而且氧化物的结晶性均较差。负载5wt.％NiO的二氧化钛纳米管的高倍率放电性能和循环稳定性比较突出,在电流密度为250 mA/g时,首次放电比容量达到389 mAh/g,而没有负载过渡金属氧化物的TiO2纳米管首次放电比容量仅为327 mAh/g。
采用过渡金属氧化物(CoO,NiO和CuO)对质子钛酸盐纳米管进行修饰,并在300℃、氩气气氛下烧结制备了负载过渡金属氧化物的TiO2(B)纳米管。结果表明,过渡金属氧化物(CoO,NiO和CuO)最终附着在TiO2(B)纳米管的表面,但其结晶性较差。ICP测试得出负载在TiO2(B)纳米管表面的CoO,NiO和CuO的含量分别为4.7,5.34和5.74wt.％。通过恒电流充放电、循环伏安(CV)以及交流阻抗(EIS)测试研究了以上纳米管的电化学脱/嵌锂机理。负载NiO和CuO的TiO2(B)纳米管的高倍率放电性能和循环稳定性较为突出。研究还表明,负载过渡金属氧化物纳米颗粒后,有助于保持TiO2(B)纳米管在动态反应条件下的拟电容反应控制特征,并不同程度地减小了TiO2(B)纳米管的表面电荷转移电阻,这都有助于改善TiO2(B)纳米管的高倍率充放电性能。