TiO2、SnO2微/纳米结构可控合成及其性能研究

TiO2和SnO2广泛用于光催化、气敏、涂料、锂离子电池、太阳能电池、药物传输和医学成像等方面。随着科学研究的深入，人们意识到材料的性能不只取决于材料本身的化学组分，还取决于其形貌等微观结构。通过制备具有不同形貌结构的TiO2和SnO2可以改善其在应用方面的性质。而材料的形貌结构又与制备方法紧密相关。因此，研究合成方法，形貌结构以及性能之间的关系，对于改善TiO2和SnO2的性能具有重要意义。
　　本课题来自于河南省创新人才计划项目(114200510004)和河南师范大学研究生科研创新项目(No.YL201202)，重点研究了不同形貌结构TiO2的制备及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。另外也研究了SnO2微米球从实心到空心的调控生长机理，并测试了其气敏性能。主要内容包括:
　　(1)通过溶剂热反应时间的控制，研究了以钛酸四丁酯为钛源，二水合草酸为添加剂，乙二醇为溶剂的反应体系对纳米粒子可控组装TiO2蛋黄-壳分级结构微米球机理的影响。首次将这种TiO2蛋黄-壳结构分级结构微米球煅烧后用于锂离子电池中，发现其在0.25C下首次放电比容量高达267.6mAhg-1，40次循环后仍保留有191mAhg-1，表现了优良的电化学性能。
　　(2)采用油浴回流的方法，以钛酸四丁酯为钛源，二水合草酸为添加剂，乙二醇为溶剂制备了TiO2亚微米球。研究了煅烧后TiO2亚微米球的循环性能，发现在0.25C时，其首次放电比容量为189.5mAhg-1，40次循环后仍保留有188.9mAhg-1。表明该材料具有优异的循环稳定性。
　　(3)通过溶剂热反应时间的控制，研究了钛酸四丁酯，二水合草酸以及溶剂等因素对纳米粒子组装TiO2空心微米球可控生长机理的影响。发现当钛源用量一定时，添加剂用量对形貌具有显著的控制作用。将这种TiO2空心微米球煅烧后用于锂离子电池中，发现添加剂用量一定时，钛源的用量对电化学性能影响显著。溶剂碳链长度显著影响TiO2空心球尺寸，进而影响其电化学性能。因此，添加剂用量、钛源的用量、溶剂的碳链长度等可有效调控所制备空心微米球的形貌进而影响其电化学性能。
　　(4)通过对一步水热法反应时间的控制，研究了以SnCl2·2H2O为锡源，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为软模板，去离子水为溶剂，并以酒石酸(C4H6O6)辅助的反应体系对合成SnO2分级结构空心微米球生长机理的影响。发现可以通过对反应时间的控制，可控合成具有不同比表面积和孔径的SnO2分级结构实心、空心微米球，且这些微球的比表面积和孔径呈反向变化关系。通过对这些SnO2微米球的气敏性能测试，首次在真实装置中发现了气敏性能不只受比表面积大小的影响，也受材料孔径大小影响的变化规律。依据实验数据，探讨了气敏元件随工作电压（工作温度）的升高，气敏性能从受表面化学反应动力学控制逐渐转向受气体扩散动力学控制的机理。这一新发现对进一步研究气敏材料的气敏机理和寻找高性能气敏材料提供了一定的实验基础和理论依据。