納米結(jié)構(gòu)陽極氧化鈦薄膜在超級電容器方面的應(yīng)用.pdf

1、超級電容器作為一種新型儲能器件，近年來備受關(guān)注。陽極氧化鈦(TiO2)納米管應(yīng)用于超級電容器領(lǐng)域，具有比表面積大、便于電子傳輸、電位窗口寬等優(yōu)點。然而，TiO2納米管作為半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性較差，且在可控制備方面仍有很多缺陷。本文旨在研究陽極氧化條件與納米結(jié)構(gòu)TiO2薄膜形貌參數(shù)之間的關(guān)系，并通過進(jìn)一步增大比表面積、摻雜改性等方法來改善TiO2納米管的電化學(xué)性能。
　　首先，通過在常規(guī)電解液中加入乳酸(LA)、聚乙烯醇(PVA)等添

2、加劑的方法，實現(xiàn)TiO2納米管的快速制備，生長速率最高可達(dá)1.9μm min-1，并保持納米管完整有序的結(jié)構(gòu);在高水含量電解液中制備出海綿狀TiO2薄膜，提高了TiO2電極材料的比表面積;研究氧化電壓（電流密度）、電解液溫度、氧化次數(shù)等工藝參數(shù)對TiO2薄膜形貌的影響，并通過二次氧化及升高氧化電壓的方法改善了TiO2納米管的規(guī)整度。
　　其次，通過水熱固-液法(Hydrothermal Solid-Liquid Route，HSL

3、R)及水蒸氣（Hydrothermal Solid-Gas Method，HSGM）處理的方法，制備出TiO2納米粒子/內(nèi)米管復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究處理溫度、蒸氣壓、處理時間等因素對其形貌的影響。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成過程遵循溶解-重結(jié)晶機制，但HSLR處理會導(dǎo)致氧化膜易從基底上脫離，而HSGM處理可保持氧化膜與基底間的結(jié)合力，并顯著增大TiO2納米管的比表面積。其中，蒸氣壓是控制復(fù)合納米結(jié)構(gòu)形貌的關(guān)鍵因素，加入水量180μL進(jìn)行HSGM處理

4、的納米管(HSGM-180)比表面積高達(dá)70.8 m2 g-1，是未處理TiO2納米管的3.16倍。保持蒸氣壓處于飽和狀態(tài)，處理20 min便可獲得理想的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)(HSGM-20min)。
　　再次，將TiO2納米粒子/納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)在Ar、NH3氣氛中進(jìn)行退火改性，進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能。實驗發(fā)現(xiàn)，NH3退火雖可大幅提高TiO2電極材料的比電容，但會導(dǎo)致其電化學(xué)性能不穩(wěn)定，倍率特性、循環(huán)穩(wěn)定性較差;而Ar退火可生成氧空位，降

5、低電極材料的內(nèi)阻，Ar退火的HSGM-20min比電容可達(dá)76.12 mF cm-2，是空氣退火的未處理TiO2納米管的5.49倍，且循環(huán)2000圈后比電容仍維持在初始值的87.7％。
　　最后，在含有金屬離子的溶液中，通過電化學(xué)恒壓或恒流摻雜的方法對TiO2納米管進(jìn)行摻雜改性。結(jié)果表明，在非水溶液中Al3+可嵌入TiO2的晶格結(jié)構(gòu)，克服H摻雜循環(huán)穩(wěn)定性較差的缺點，并生成更多的氧空位，而Fe3+及Cu2+則無法嵌入TiO2的結(jié)構(gòu)中