生物體將生物大分子和無機質(zhì)組裝成具有復(fù)雜有序多級的生物礦物質(zhì)，展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能。骨骼是最典型的生物礦物質(zhì)之一，其輕質(zhì)并具有抗斷裂的特性。從多級孔角度來看，骨骼具有從內(nèi)到外逐漸變化的多孔結(jié)構(gòu)，使其在保證骨骼強度和韌性的同時，可以減輕骨骼質(zhì)量，促進營養(yǎng)物質(zhì)運輸。從結(jié)構(gòu)多級性來看，骨骼同時具有非常復(fù)雜的從分子到宏觀的多級結(jié)構(gòu)[8]。如圖 1.1 所示，膠原蛋白分子相互纏繞組成三重螺旋結(jié)構(gòu)原膠原，原膠原分子以相互錯開四分之一的周期陣列排列，構(gòu)成膠原纖維。納米片狀羥基磷灰石定向周期交錯生長在這些膠原纖維上，并相互排列構(gòu)成骨單位及哈弗斯骨管，進而構(gòu)成多級結(jié)構(gòu)骨骼。這樣的多級結(jié)構(gòu)使得骨骼不僅結(jié)實而且輕質(zhì)，其從納米尺度到宏觀尺度的多重變形和增韌機制，使得骨骼具有很強的抗斷裂能力。

.....

第2章多級結(jié)構(gòu)管套管TiO2塊體材料的制備及其光催化性能的研究

2.1 引言

眾所周知，TiO2半導(dǎo)體的光催化能力與其光吸收效率，光生載流子的分離和傳輸能力，表面反應(yīng)活性位點，以及氧化反應(yīng)速率息息相關(guān)。通過構(gòu)筑不同形貌和結(jié)構(gòu)的納米材料，可實現(xiàn)對半導(dǎo)體材料的光電化學性質(zhì)進行調(diào)節(jié)，進而優(yōu)化其功能應(yīng)用[11,12]。多級結(jié)構(gòu)TiO2納米管材料具有高比表面積、優(yōu)異的光吸收能力、一維方向上物質(zhì)和電荷的快速傳輸能力等諸多優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化存儲等方面[13-22]。常見的制備TiO2納米管的方法主要有：水熱法、模板法、電極氧化法以及靜電紡絲法等[23-34]。例如，Si等人利用多壁碳納米管作為犧牲模板，通過水熱法得到一維多級結(jié)構(gòu)TiO2納米管，表現(xiàn)出很好的酶固載及葡萄糖傳感能力[35]

2.2 實驗部分

多級結(jié)構(gòu)管套管 TiO2塊體材料的制備過程如下：以 BC 氣凝膠作為框架模板劑，利用  SiO2和 TiO2層，得到三明治狀 BC@SiO2@TiO2框架前驅(qū)體，對其水熱刻蝕晶化 15min-48h，分別得到多級單管、管套管狀結(jié)構(gòu)的 BC@鈦酸鹽塊體（BC@titanate）。酸洗將鈦酸鹽轉(zhuǎn)化成鈦酸，經(jīng)過不同溫度煅燒，得到多級結(jié)構(gòu)管套管 TiO2塊體材料。

第 2 章 多級結(jié)構(gòu)管套管 TiO2塊體材料的制備及其光催化性能的研究·51

2.1 引言 ·····51
2.2 實驗部分 ·53
2.3 結(jié)果與討論 .......56
第 3 章 多級連通孔 TiO2/C 塊體的制備及其鋰電性能研究.......81
3.1 引言 ·····81
3.2 實驗部分 ·83
3.3 結(jié)果與討論 .......86
3.4 本章小結(jié) 105
第 4 章 多級連通管結(jié)構(gòu) TiO2/C 塊體的制備及其鋰電性能研究.......111
4.1 引言 ····111
4.2 實驗部分 113
4.3 結(jié)果與討論 ·····116
4.4 本章小結(jié) 130

結(jié)語.........140

第 4 章 多級連通管結(jié)構(gòu) TiO2/C 塊體的制備及其鋰電性能研究

4.1 引言

隨著時代的進步，可充電鋰離子電池作為一種典型的電化學能源存儲設(shè)備，受到人們的廣泛關(guān)注[1-4]。TiO2因其無毒、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高存儲容量、可避免形成 SEI 膜等特點，被視為極具潛力的鋰離子電池負極材料之一[5-8]。然而，TiO2鋰電性能常受到安全性和電極材料動力學等因素的制約[1,9-11]。通過設(shè)計半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu),如微納分級結(jié)構(gòu)、多級（孔）結(jié)構(gòu)、表面包覆碳層和一體材料等，可以有效解決 TiO2在實際應(yīng)用中的缺陷，從而使得電極材料具有良好的儲鋰容量、循環(huán)壽命和優(yōu)異的倍率性能[5,12-15]。由表 4.1可知，NC-TIT-700 擁有最大的多級孔（由納米片的堆積孔、管套管間隙以及框架孔構(gòu)成）孔容，可以促使大量的電解液存儲其中，加速其充放電的速率。相比于 P25 粉末樣品來說，NC-TIT-700 剛性的結(jié)構(gòu)框架更有利于電解液的浸潤、傳質(zhì)以及電解液的傳輸。同時對比 CTT-40-800，TIT-N-800，P25 可知，除了結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的性能差異外，類石墨化碳對于防止結(jié)構(gòu)的形變，實現(xiàn)高倍率，起著十分重要的作用。

4.2 實驗部分

工作電極一般由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑按8:1:1的質(zhì)量比例組成。本工作中，，10 mg聚偏氟乙烯（PVDF）加入到一定量NMP中溶解，然后加入10 mg超級導(dǎo)電碳和80 mg的塊體材料作為活性材料，然后在NMP中研磨，使粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)充分混合均勻，使其成泥漿。然后將泥漿混合物均勻涂覆在光滑的銅箔上面，在80℃真空干燥箱中烘12h，使里面的NMP完全揮發(fā)掉。未經(jīng)過輥壓，直接將電極片切成直徑為8 mm的圓片待用。本章所述的扣式電池為半電池，其組裝順序為負極殼、負極材料、電解液、隔膜、電解液、鋰片、集流體、正極殼。加壓后得到電池，整個封裝過程在惰性氣體手套箱中完成。經(jīng)過12h的低溫烘干后，得到成型待測試電池。納米片結(jié)構(gòu)基元相對于納米顆粒表面積更大，進而為 Li+的嵌入/脫出提供更多的反應(yīng)位點；同時納米片層結(jié)構(gòu)較薄，大大縮短了擴散路徑。
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結(jié)語

本論文研究內(nèi)容包括以下幾個方面：一、利用框架模板限域性礦化以及雙向外延生長法，獲得以 TiO2管套管為次級結(jié)構(gòu)基元的 TiO2多級結(jié)構(gòu)塊體材料（TITS TiO2）。以細菌纖維素（BC）為生物框架模板，在其表面限域性沉積無定形 SiO2層和 TiO2層，得到三明治結(jié)構(gòu)的 BC@SiO2@TiO2前驅(qū)體框架。然后,堿刻蝕水熱過程處理該前驅(qū)體框架并煅燒去除 BC，得到 TITS TiO2。該方法制備的 TITS TiO2具有從宏觀到微觀的多尺度結(jié)構(gòu)特性，包含毫米尺度的塊體特性，微米尺度的大孔特性以及納米尺度的納米管/納米孔特性。將其用作光催化劑降解機染料時，表現(xiàn)出優(yōu)于 P25 的結(jié)構(gòu)增強光催化能力。

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參考文獻（略）

本文編號：554460