無定型TiO2納米管單晶轉(zhuǎn)變及其電化學(xué)電容性能研究.pdf

1、1991年，Zwilling研究組第一次采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法在金屬鈦表面制備出形貌規(guī)則的TiO2納米管陣列。此后，陽(yáng)極氧化制備TiO2納米管陣列的研究全面展開，并在許多領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用。本文以電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備的TiO2納米管為基礎(chǔ)，開展了以下三個(gè)方面的研究：第一，以陽(yáng)極氧化 TiO2納米管陣列為前驅(qū)體，制備暴露有明確晶面的單晶TiO2，并研究其光催化降解有機(jī)染料的性能；第二，設(shè)計(jì)、制備了MWNTs-TiO2納米管復(fù)合體系，并評(píng)價(jià)了其電

2、化學(xué)電容性能；第三，采用溶劑熱法制備了一維TiO2納米棒結(jié)構(gòu)，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　一、本文對(duì)陽(yáng)極氧化TiO2納米管在不同溫度下進(jìn)行加熱處理，制備出了暴露有(001)晶面的單晶TiO2，并從兩個(gè)視角研究了單晶TiO2的生長(zhǎng)機(jī)理。其一，采用納米壓痕的測(cè)試方法，結(jié)合斷裂強(qiáng)度計(jì)算模型，計(jì)算出納米管的力學(xué)強(qiáng)度，并建立納米管的幾何尺寸和力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：陽(yáng)極氧化TiO2納米管的管壁厚度決定納米管的斷裂強(qiáng)度，且薄壁T

3、iO2納米管更容易發(fā)生單晶轉(zhuǎn)變；其二，采用TEM、EXAFS及XPS三種實(shí)驗(yàn)表征手段，結(jié)合DFT理論計(jì)算、Smoluchowski方程擬合的方法，研究TiO2的單晶轉(zhuǎn)變過程。結(jié)果表明：由于納米管坍塌破碎，形成具有懸掛鍵的高活性納米團(tuán)簇，該團(tuán)簇粘結(jié)在已結(jié)晶的銳鈦礦晶核表面，以原子重排的方式有序連接在晶體表面，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。每個(gè)晶核消耗各自周圍的納米團(tuán)簇基元，直到消耗完以后晶體停止生長(zhǎng)。
　　二、本文針對(duì)高性能酸性電容電極材料，以靜電

4、吸引合成方法成功制備出了MWNTs-TiO2納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用濃度為10mg mL-1，pH值為5.5的APS乙醇溶液處理的TiO2納米管，MWNTs的負(fù)載均勻，電容容量達(dá)4.4mF cm-2，是裸TiO2納米管電極（電容值0.38mF cm-2）的9倍。這表明，MWNTs能夠提高復(fù)合電極的導(dǎo)電性，降低界面電阻。此合成方法可拓展應(yīng)用到其他復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，為設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)帶來更豐富的調(diào)控策略。
　　三、本文采用溶劑熱法