錳基氧化物碳復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能

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1、錳基氧化物碳復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能1、相關(guān)定義1.1、納米復(fù)合材料的定義及特性納米復(fù)合材料(Nanocomposites)是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的固相至少在-6-石墨烯納米復(fù)合材料的制備、表征及對(duì)H2O2電化學(xué)性質(zhì)的研究一維以上納米級(jí)大小(1~100nm)復(fù)合而成的復(fù)合材料。這種復(fù)合納米材料除了在基本性能上具有普通單一納米材料所具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)外,還具有復(fù)合協(xié)同多功能效應(yīng)[20]。復(fù)合納米材料綜合了各組分的優(yōu)點(diǎn),改善了單一粒子的表面性質(zhì),如在力學(xué)[21][22]、磁學(xué)[23]、生物學(xué)[24][25][26]等方面,納米復(fù)合材料不僅穩(wěn)定性提高,而且還能與

2、無(wú)機(jī)、有機(jī)物兼容,同時(shí)復(fù)合后材料的物理、化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了新的變化。這使納米復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯納米復(fù)合材料是在納米材料研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)與納米材料復(fù)合而成的新型材料,已在光、電、磁等功能材料的研究上取得了令人矚目的成果,成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于金屬納米粒子具有表面上催化活性位多,比表面積大的優(yōu)點(diǎn),這就使其催化活性高、選擇性好。利用金屬納米粒子的優(yōu)異的催化性能,并用石墨烯做為載體,既能發(fā)揮納米粒子的高催化性和高選擇性,又能通過(guò)石墨烯的穩(wěn)定作用增強(qiáng)其自身的穩(wěn)定性。1.2、鋰離子電池概念和基本原理2鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜四部分構(gòu)

3、成。正負(fù)極材料由兩種不同的鋰嵌入化合物組成,貯存和釋放電能是通過(guò)鋰離子在兩極間的來(lái)回遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。正極材料一般為嵌鋰化合物,如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等,負(fù)極多采用石墨和TiO2,電解液可以是液態(tài)的,凝膠或固體高分子,大多數(shù)鋰離子電池采用包含鋰鹽(LiPF6,LiBF4,LiClO4,LiBC4O8(LiBOB),Li[PF3-(C2F5)3])的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì),有機(jī)溶劑一般為碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙甲酯(簡(jiǎn)寫分別為:EC,DMC,DEC,EMC),常用的隔膜為多孔聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。圖1.1鋰離子電池工作原理[14]圖1.1是鋰離子電池

4、工作示意圖,充電時(shí),Li+從正極脫出經(jīng)電解液嵌入到負(fù)極,正極會(huì)逐漸出現(xiàn)貧鋰狀態(tài),而負(fù)極則處于富鋰狀態(tài),此時(shí),外電路給負(fù)極提供電子以補(bǔ)償電荷;放電時(shí)則相反,鋰離子脫出,經(jīng)電解液嵌入正極,電子經(jīng)外電路從負(fù)極流向正極。隨著Li+在正負(fù)極間的遷移,伴隨著等當(dāng)量的電子的遷移,于是在兩電極間發(fā)生了氧化還原反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能,并將能量?jī)?chǔ)存在電池中,因而鋰離子電池也被形象地稱為”搖椅電池”。[15]選取以LiFePO4為正極,TiO2為負(fù)極組裝的鋰離子電池為例,電池的電極反應(yīng)如下所示:陰極:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-(1)陽(yáng)極:TiO2+xLi++xe-→LixTiO2

5、(2)總反應(yīng):LiFePO4+TiO2→Li1-xFePO4+LixTiO2(3)在正常充放電情況下,鋰離子在正負(fù)極材料之間的往返脫嵌,一般只會(huì)引起材料層間距3的變化,不會(huì)破壞電極材料的晶體結(jié)構(gòu),從而保證了電池良好的循環(huán)壽命和安全性,因此鋰離子電池的電極反應(yīng)是一種理想的可逆過(guò)程。1.3、納米材料的定義和分類在召開(kāi)的首屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議上正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支,標(biāo)志著納米技術(shù)的誕生。狹義的納米材料一般是指三維空間尺寸至少有一維處于納米級(jí)(通常為1-100nm),或由它們作為基本結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的材料[2]。納米技術(shù)是通過(guò)研究組成物質(zhì)的基本微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性,從而深入探究

6、處于納米尺度范圍內(nèi)的物質(zhì)所具有的理化性質(zhì)、功能及其高超的應(yīng)用技術(shù)。目前國(guó)際上將處于1-100nm范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體,以及由納米微粒所構(gòu)成的材料統(tǒng)稱為納米材料。廣義上,納米微粒是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群或分子群構(gòu)成的。同時(shí)表面層的微粒占很大比例,所以納米材料是一類以納米結(jié)構(gòu)按一定方式組成的體系,或排列于一定基體中的納米結(jié)構(gòu)分散形成的體系,主要包括納米超微顆粒、納米塊體材料和納米復(fù)合材料等。納米材料分類的方法較多,最常用的是按照組成納米材料的基本單元所處的維數(shù)可分為:①零維。指在納米材料的空間三維尺寸均在納米尺度內(nèi),如納米尺度顆粒、原子簇、量子點(diǎn)等。②一維。指在空間有

7、兩維處于納米尺度,如納米絲、納米棒、納米管等。③二維。是指在三維空間中有一維處于納米尺度,如超薄膜、超晶格、石墨烯等。構(gòu)成納米材料的物質(zhì)的有金屬納米材料、半導(dǎo)體材料、納米陶瓷材料、有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料及介孔復(fù)合材料等。各種顆粒的粒徑范圍如圖1-1所示。1圖1-1各種顆粒的粒徑范圍Fig.1-1Diameterrangeofdifferentparticles1.4、接枝共聚淀粉的概念及其合成方法接枝共聚淀粉是在淀粉分子中引接了合成