水热温度对TiO2/石墨烯复合物的结构与电化学性能的影响开题报告

1. 研究目的与意义

本文采用简易的无模板水热合成方法制备出tio₂/石墨烯复合材料，来主要考察水热温度对tio₂/石墨烯复合材料的特性和电化学性能的影响。

改进hummers法制备得到的go可通过在碱性溶液中水热反应调节到一个低氧浓度。

我们的工作为调节和制备石墨烯复合物应用于高性能锂离子电池上提供了新的方案。

2. 国内外研究现状分析

目前我国动力锂离子电池状况：

(1)动力电池主要包括工具电池、电动自行车电池、特种车用电池和电动汽车用电池。目前各种动力锂离子电池在中国均处于产业化起步阶段。

(2)电动自行车锂离子电池已进入产业化起步阶段，但不足整车配置量的2%。

3. 研究的基本内容与计划

本文将采用简易的无模板水热合成方法制备出TiO₂/石墨烯复合材料。材料相结构、形貌通过X射线衍射和场发射扫描电子显微镜观察。电化学性能通过循环伏安、阻抗测试和恒电流充放电测试进行分析，主要考察水热温度对TiO₂/石墨烯复合材料的特性和电化学性能的影响。

4. 研究创新点

尽管目前石墨被广泛地应用在传统电池的阳极材料，但是许多研究尝试设计开发新型阳极材料取代石墨，满足可充电功率电池的新兴领域。

过渡金属氧化物拥有大的潜能，自从第一次作为锂离子阳极材料被报道，由于其高比容量和性能已经引起注意。在众多过渡金属氧化物中，tio₂ 备受关注，因为该材料资源充足，成本低，环境友好，在锂插入脱出时结构稳定和没有电化学锂沉积和有机电解液的分解，这对于功率型电池安全操作至关重要。tio₂阳极呈现巨大的研究热潮，因为纳米结构的材料能够降低锂离子扩散距离。特别是一维纳米结构材料（纳米线和纳米管）由于高面积体积比，定向离子电子传输和锂化诱导应力的灵敏调节显示出独特的倍率能力。除了提高纳米结构的锂离子传输能力，不同的方案也已经被开发来提高电子传输，例如导电碳包覆和导电添加剂的使用（导电氧化物网络）。然而，活性材料的电导性提高的程度还是相当有限，tio₂在锂离子电池方面由于相对慢的锂离子扩散，电极间差的电子传输和在电极/电解液界面大的阻抗所以仍然受限，导致相当差的循环性能，特别是在高充放电倍率性能。

石墨烯是一种蜂窝状单原子厚度层二维碳，具有独特的化学和物理性质，由于其优越的电子电导性、高面积体积比、超薄厚度、结构柔性和化学稳定性^[2]，而成为锂电方面最受欢迎的添加材料之一。最新研究报道石墨烯比广泛使用的炭黑和乙炔黑，甚至碳纳米管具备更加有效的导电网络。因此，新型碳材料石墨烯作为导电添加剂为新一代锂电新型复合材料的研究提供了独特的平台。基于石墨烯复合电极材料（正负极材料），大部分纳米粒子分散在石墨烯上，由于部件间的协同作用提高了电化学性能^[3-7]。最新报道的基于石墨烯二氧化钛复合物作为锂电池负极材料展示不同tio₂形貌，例如纳米球^[8]、纳米片^[9]和纳米带^[3]，相应石墨烯复合物负极都显示出比纯tio₂负极具备更高的倍率能力。然而，与石墨烯复合的tio₂多为零维纳米粒子，因为缺少有效途径制备独特结构tio₂在石墨烯支撑体上，如一维纳米结构。通常一维纳米结构，如纳米管、纳米带和纳米线，由于具备相对高的比表面积比纳米粒子更加优越的电化学性能^[10-12]。此外，tio₂纳米粒子在循环充放电过程中倾向于团聚，导致电活性面积降低和容量衰减，相比一维tio₂材料拥有更差的循环性能。相比基于石墨烯tio₂纳米粒子复合材料，石墨烯和一维纳米结构tio₂复合材料有着更好的接触，所以在一维tio₂与石墨烯复合材料中界面电荷从tio₂到石墨烯得以更快转移。一维纳米结构tio₂能够连接相邻的石墨烯层且物理分离二维石墨烯，比纳米粒子更有效地保留石墨烯的高比表面积，从而在电极/电解液之间产生更高的接触面积，加快电解液离子进入到电极内。已有研究报道利用阳离子表面活性剂制备金红石tio₂纳米带/石墨烯复合物^[13]和通过超声技术使石墨烯和mno₂层与层自组装合成无支撑石墨烯/mno₂纳米管复合薄膜^[14]。不同的合成策略被用于制备基于石墨烯的复合物，原材料为石墨烯或go，合成过程分为原位合成和非原位合成。以石墨烯为原材料的合成过程通常涉及到表面活性剂（非共价键官能化助剂）或电子束照射预处理来改变石墨烯和金属氧化物的界面，这些是复杂耗时间的，而且在金属氧化物和石墨烯之间是弱相互作用。如果原材料为go，石墨烯与金属氧化物之间的相互作用将被加强，但原材料go的含氧官能团会导致金属氧化物负载的不均一，更多的金属氧化物粒子通常会出现在边缘和褶皱处而不是底面，因为羧基基团更倾向位于边缘位置。此外，go到石墨烯的转变还需要一个还原过程，导致过程复杂和选择性低。为了解决这些争端，需要找到更加有效的合成石墨烯复合物策略。通过将一维纳米结构直接生长在石墨烯层上来制备复合物是很具有挑战性的，因为纳米晶的形貌通常受石墨烯的氧化程度和含氧基团分布的影响。一些研究已经证实纳米粒子与go通过表面的羧基、羟基、环氧基共价结合，纳米粒子的分布可以通过调节go表面的含氧基团浓度和缺陷来改变^[15]。改变石墨烯基底的表面化学性质可调节纳米晶成核及其生长行为。

在这个工作中，我们提出了一个新型简易合成方法：通过原位水热反应使tio₂直接生长在部分还原石墨氧化物上，在这个过程中没有使用任何还原剂和表面活性剂。改进hummers法制备得到的go可通过在碱性溶液中水热反应调节到一个低氧浓度。有趣的是，碱性水热过程使得go表面的羧基和环氧基几乎被羟基完全取代，产生统一的氧浓度分布。这样的官能化提供了良好的tio₂纳米管生长环境，以确保tio₂纳米管能够统一分布在石墨烯基底上。不仅go几乎被完全还原成石墨烯，而且均一的tio₂纳米管强有力地连接到石墨烯层上。三维纵横交错tio₂纳米管与导电石墨烯复合物展现了优越的倍率性能，充分利用了管状tio₂纳米材料和平面石墨烯材料的优势。我们的工作为调节和制备石墨烯复合物应用于高性能锂离子电池上提供了新的方案。