论文部分内容阅读
过渡金属-碳复合材料在电化学方面的优异性能早已引起研究者极大的兴趣。但目前的研究难点仍集中在如何寻求一种既简单、可操作性强,同时又高效的方法来获取性能优异的过渡金属-碳材料。典型的这种材料,比如在氧还原催化方面有卓越效果的钴掺杂碳材料;以及在锂离子电池负极材料方面一直被广泛研究的二氧化钛-碳材料等。本文主要在在上述两种材料的合成方面提供新的合成思路,同时深入探究材料形貌及结构的调变对其性能的综合影响。1)钴、氮共掺杂多孔碳材料（Co/N@C-H）作为氧还原催化剂的研究:提供一种高效的模板法合成该催化材料。通过合成的聚苯乙烯小球（PS）作为模板,配以硝酸钴以及2-甲基咪唑配体,使沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-67）交联生长于PS表面,再经过简单的高温退火过程实现模板去除和材料碳化得到目标钴、氮共掺杂碳材料（Co/N@C-H）。经研究表明,该材料在氧还原催化方面性能优异,可实现0.883 VRHE的起始电位,0.823 VRHE的半波电位,同时具有良好循环稳定性和甲醇耐受性。上述性能均优于近年所报道的大部分同类型催化剂,且十分接近目前性能最优的商业化Pt/C催化剂(起始电位0.908 VRHE,半波电位0.837 VRHE),表明材料具备良好的应用前景。进一步的调试研究表明,煅烧过程选取的温度对于材料的性能有可观的影响,于700摄氏度下煅烧的材料具有最为优异的催化性能。而聚苯乙烯小球模板的添加与否对于材料的形貌结构与催化活性都有很大的影响。由于该模板的存在使材料得以形成中空的,微介孔共存的多级孔结构,材料的比表面积大幅增加,催化活性位点更为彻底地暴露,从而使得材料催化性能大幅提升。2)管状二氧化钛复合碳材料（TiO2-C-Ts）储锂性能的研究:提供一种简单高效、无需借助模板的方法合成该管状材料。主要过程采用溶剂热的方法使多种醇与硫酸氧钛（TiOSO4·xH2SO4）进行醇解反应,生成有机钛前驱体,再经退火过程实现材料碳化和提高TiO2结晶度,得到目标材料（TiO2-C-Ts）。得到的材料呈现纳米片自组装形成的管状形貌,并拥有较大的比表面积和微介孔共存的丰富孔结构,大大加快电解液和锂离子的传输速度,同时缓解材料体积膨胀。将该材料应用于锂离子电池负极表现出了卓越的储锂性能,其拥有出534 mAh g-1（半电池）,以及353.8 mAh g-1（以LiFePO4为正极的全电池）的可逆比容量,并且大电流长循环稳定性以及倍率性能方面均有良好表现。该性能优于大部分报道的同类型材料,是一种很有应用前景的负极材料。我们进一步探究了退火温度对于材料性能的影响,结果表明600摄氏度下的材料呈现锐钛矿的晶型,完整的纳米片状微结构,并呈现最为优异的储锂性能。