铁基氧化物三维多级微纳结构的制备与应用研究

论文摘要

金属氧化物纳米材料由于其形状的各向异性而具有优异的物理化学性能，吸引科研工作者的广泛关注。氧化铁（Fe2O3和Fe3O4）纳米材料因其价廉、无毒、性质稳定等物化特性，在气体传感、锂离子电池、催化、污水处理等诸多领域得到应用。本文在综述气体传感和锂离子电池及其材料研究进展的基础上，采用低温液相化学法和水热法分别制备了三维Fe2O3和Fe3O4/C纳米材料，运用XRD、SEM、TEM、BET和TGA等现代分析测试技术对合成材料的结构和物理特性进行系统研究，并研究它们在气体传感和锂离子电池中的应用。本论文的主要内容归纳如下。在第2章，利用简单的低温液相化学反应合成形貌可控的三维α-FeOOH纳米材料，并以其为前体经退火处理制备花状和海胆状α-Fe2O3多孔纳米材料。研究表明，三维α-FeOOH纳米前体的形貌可以通过对实验条件，如反应物浓度、溶剂成分、反应时间和温度的改变而进行调控。结合时间梯度实验，我们提出三维α-FeOOH纳米前体形成的多阶段生长机理。这种简单易行的方法给氧化铁纳米材料的可控合成提供了新的观点的启发。在第3章，用第2章中制备的海胆状α-FeOOH为前体退火得到海胆状的α-Fe2O3多孔纳米材料。作为典型的n型半导体气敏材料，它对H2S的检测浓度低至1ppm，响应和恢复速度均少于10s。有趣的是它在工作温度变化时产生n-p转换效应和高温下随H2S浓度增加产生的p-n转换效应。我们认为α-Fe2O3多孔纳米材料因比表面积大而产生大量表面不稳定的活性位点，能吸附更多的氧气并离子化导致材料表面产生反型层。这有利于我们对α-Fe2O3气敏机理的深入理解，给α-Fe2O3气敏材料的改性提供依据。在第4章，以第2章中制备的海胆状α-FeOOH纳米材料为前体，以葡萄糖为炭源，用水热法和惰性气氛下退火得到海胆状的Fe3O4/C多孔纳米材料，这种微米/纳米结构有直径约30-40nm的纳米棒组成。TEM表明纳米棒表面多孔且具有一层均匀连续的无定形炭。将其作为锂离子电池负极材料，0.1C充放电倍率下50个循环后能保持830mAh g-1的容量，且在1C和2C的高倍率下容量远高于海胆状的Fe2O3和商业化的Fe3O4。这种电化学性能的改善主要归功于微米/纳米结构、多孔性和炭包覆层的综合优势，它具有纳米材料和微米材料的共同优点，且多孔、导电性高，有利于改善锂离子嵌入/脱出的电化学动力学过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料概论
• 1.1.1 纳米材料的分类
• 1.1.2 纳米材料的特异效应
• 1.2 气体传感器及其敏感材料
• 1.2.1 金属氧化物半导体气敏材料的发展及应用
• 1.2.2 金属氧化物气敏传感器的气敏机理
• 1.2.3 氧化铁基气体传感器
• 1.3 锂离子电池概述
• 1.3.1 锂离子电池的发展
• 1.3.2 锂离子电池的原理、构造及性能特点
• 1.3.3 锂离子电池相关电极材料
• 1.3.4 铁基氧化物纳米负极材料
• 1.4 选题依据及研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 形貌可控的α-FeOOH 及α-Fe2O3三维纳米材料的绿色、简易合成
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2.2.2 3-D α-FeOOH 及α-Fe2O3分级纳米材料的制备
• 2.2.3 产物表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 产物的物相分析
• 2.3.2 产物的形貌和多孔性分析
• 2.3.3 反应条件对α-FeOOH 前体形貌的影响
• 2.3.4 分级α-FeOOH 纳米前体的形成机理初探
• 2.4 本章小结
• 第3章 三维分级α-Fe2O3多孔纳米材料的 H2S 气敏性能及其 n-p 转换效应
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 α-Fe2O3的制备和表征
• 3.2.3 气体传感器的制备与测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 气敏材料的形貌和结构分析
• 3.3.2 传感器的 H2S 气敏性能研究
• 3.3.3 传感器的 n-p 转换效应及其机理探讨
• 3.4 本章小结
• 第4章 三维 Fe3O4/C 多孔纳米材料及其锂离子电池性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂和仪器
• 4.2.2 3-D 海胆状 Fe3O4/C 多孔复合材料的制备
• 4.2.3 产物表征
• 4.2.4 CR2016 扣式电池的制作、装配及性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电极材料的形貌和结构分析
• 4.3.2 Fe3O4/C 复合材料电化学储锂性能
• 4.4 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录