SnO2基异质结电极的制备及其电化学性能的研究

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SnO2是一种n型宽能隙半导体,禁带宽度为3.5-4.0eV,具有优良的化学稳定性,且具有特定的导电性和反射红外线辐射的特性,因此在锂电池、太阳能电池、液晶显示、光电子装置、透明导电电极等领域被广泛应用。许多研究表明,将SnO2纳米半导体与其他纳米半导体(如TiO2,Al2O3, ZnO等)复合形成异质结能有效改善SnO2的电化学性能。本文在总结和借鉴国内外SnO2与纳米半导体异质结电极材料研究的基础上,研究以高度有序的TiO2纳米管电极(TiO2NTs)作为基础电极,通过与SnO2纳米材料复合形成半导体异质结电极,改善SnO2的电化学性能并将其用于储锂电极和光电材料的研究。本论文主要在以下几个方面开展了工作:  ①利用简单的水热法将SnO2负载到通过阳极氧化制备的TiO2NTs上。本文采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等对样品的形貌、成份、晶型结构和表面状态分别进行了表征。结果表明,水热法制备的SnO2纳米颗粒均匀地分散在TiO2NTs的管口, XPS证实Sn的价态为+4价,没有不纯的锡氧化物。另外,还探讨了水热反应时间、碳掺杂和不同基底对SnO2纳米颗粒形貌及异质结电极的电化学性能的影响。  ②将制备的SnO2基异质结电极用于电化学性能的测试。实验结果表明,不同水热反应时间制备的SnO2/TiO2NTs电极储锂性能差异明显,主要是由于反应时间不同导致了SnO2负载量的不同,最佳反应时间是5h,首次库伦效率为63.9%,经过50次循环后,样品的容量为67.4μAh cm-2,其光电流响应也高达1.80 mA cm-2。  ③对TiO2NTs基底进行碳掺杂探讨碳掺杂对电极储锂性能及光电性能的影响:发现碳掺杂后电极的储锂性能更好。SnO2/TiO2NTs和SnO2@C-TiO2NTs电极首次库伦效率分别为63%和67%,50次循环后容量分别为61μAh cm-2和72μAh cm-2;对它们进行光电测试时,基底进行碳掺杂的SnO2@C-TiO2NTs电极在同样条件下光电流响应比SnO2/TiO2NTs强,前者为1.45 mA cm-2,后者为1.70 mA cm-2。  ④比较不同基底生长的SnO2纳米材料的储锂性能:发现 SnO2/TiO2NTs和SnO2纳米花的首次库伦效率分别为28%和37%,50次循环后容量分别为47μAh cm-2和59μAh cm-2,后者储锂性能更好;不过SnO2/TiO2NTs异质结的光电性能优于SnO2纳米花。
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