二氧化钛/多层石墨烯复合材料的可控制备及储能性能研究

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纳米二氧化钛具有优异的储锂性能,并在锂硫电池中具有优异的多硫化物吸附性能。但其内在的导电性能差,不利于其作为电极材料使用。与石墨烯复合是解决该问题的主要途径之一。但目前复合材料中的石墨烯采用的都是经氧化的氧化石墨烯。氧化石墨烯制备成本高,导电性能差,同时对环境污染性大。论文采用机械剥离的多层石墨烯作为基底,降低了基底的制备成本,但其表面不含活性基团,无法采用已有技术制备复合材料。论文利用多层石墨烯表面的分子作用力,在其表面可控制备了锐钛矿和金红石晶型的具有良好微观形貌的二氧化钛/多层石墨烯复合材料。论文具体研究内容如下:(1)二氧化钛/多层石墨烯复合材料的可控制备研究。采用TiCl3作为钛源,浓盐酸作为控制剂,稀硝酸作为氧化剂,通过水浴法制备了二氧化钛/多层石墨烯复合材料。论文研究了盐酸添加量对复合材料微结构的影响,并通过XRD、SEM、TEM等表征手段对复合材料的微观结构进行了表征。研究结果表明:盐酸的添加量对二氧化钛的晶型和形貌有控制作用。当浓盐酸添加量为0-3.0 mL,在多层石墨烯表面获得均匀的锐钛矿二氧化钛纳米颗粒;当浓盐酸量为3.0-4.0 mL,在多层石墨烯表面获得锐钛矿二氧化钛纳米颗粒和多肉植物形状的金红石二氧化钛两种结构;当浓盐酸量超过4.0 mL,随着盐酸添加量的增加,可以获得多肉植物状,花棒状和棒状结构的金红石晶型二氧化钛。(2)二氧化钛/多层石墨烯复合材料的储锂性能研究。将获得的二氧化钛/多层石墨烯复合材料作为负极,采用半电池结构,测试了 CV曲线,GDC曲线,循环和倍率性能。与纯二氧化钛进行对比研究发现,复合材料表现出了高的比容量,良好的循环和倍率性能,表明多层石墨烯作为基底提高了二氧化钛的性能。不同晶型和形貌二氧化钛/多层石墨烯的测试结果显示,金红石型二氧化钛纳米棒表现出最佳的电化学性能。100 mA g-1下循环150圈后,可逆比容量为633.93 mAhg-1,容量保持率为70.64%。同时在高电流密度循环中也表现出高的比容量和良好的稳定性。(3)二氧化钛/多层石墨烯复合材料的锂硫电极研究。通过吸附实验研究表明锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料具有最佳的吸附能力。将其作为硫负载材料,进行了电化学性能测试。实验结果表明,制备的复合材料展现出优异的循环稳定性,0.2 C下循环200圈后,可逆比容量为607.86mAhg-1,容量保持率为54.53%,说明复合材料具有良好的抑制多硫化物穿梭的能力。
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