晶型转变及择优取向对氢化TiO2纳米管超级电容器性能的影响

作     者：李文奕 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王红霞;刘一鸣

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：TiO2纳米管阵列 阳极氧化 高温退火 电化学氢化 晶型转变 择优取向 超级电容器 

摘      要：TiO纳米管阵列以其高度有序的结构、出色的结构稳定性、较大的比表面积以及稳定的物理化学性质被视为一种非常有潜力的新型超级电容器电极材料。但是TiO纳米管较差的导电性限制了其进一步应用。通过氢化能够增加TiO纳米管内部载流子浓度,从而有效提高TiO纳米管阵列的导电性。目前研究主要集中在氢化工艺对于TiO电化学性能提高,而TiO本身的晶型组成、择优取向对于氢化TiO纳米管阵列超级电容器性能的影响却鲜有系统研究。本文从TiO的晶型组成、择优取向两方面入手,采用阳极氧化法、退火以及电化学氢化相结合的方法,通过改变制备过程中退火制度及阳极氧化电解液配比来制备具有不同晶型组成和择优取向度的氢化TiO纳米管阵列,结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)等表征手段,分析了氢化对TiO纳米管阵列超级电容器性能的影响,着重研究了TiO非晶态/锐钛矿转变、锐钛矿/金红石转变对氢化TiO纳米管超级电容器性能的影响,还对锐钛矿择优取向的形成及其对氢化TiO纳米管阵列超级电容器性能的影响进行了分析,同时对产生上述影响的原因分别进行了探讨。主要得出如下结论:(1)电化学氢化会在TiO纳米管管壁表面形成一层有利于充放电过程中带电离子快速聚集和扩散的非晶无序层,并引起TiO纳米管阵列内部Ti价态的变化,有效提高载流子浓度,使得氢化后TiO纳米管阵列超级电容器性能得到大幅度提高,放电比容量较氢化前提高了103倍。(2)相比于非晶态氢化TiO纳米管阵列,锐钛矿相氢化TiO纳米管阵列表现出更加优异的超级电容器性能,具有更高的比容量以及更加优异的倍率性能和循环稳定性。当充放电电流密度为5μA·cm时,锐钛矿相氢化TiO纳米管阵列的放电比容量达到了9.80 mF·cm。(3)在锐钛矿相氢化TiO纳米管阵列内部引入部分金红石相可以使纳米管阵列的比容量进一步提高,比容量随金红石含量的增加呈先升高后下降的趋势。其中以氩气气氛中650°C退火2 h的样品性能最为优异,比容量达到了24.99 mF·cm,同时具有良好的倍率性能和循环稳定性。(4)适当减少阳极氧化电解液中水含量并采用氩气气氛退火有助于形成锐钛矿择优取向。在择优取向的TiO纳米管阵列内部锐钛矿晶粒呈板状晶生长,并沿管长方向有序堆垛。通过构筑锐钛矿择优取向可进一步提高氢化TiO纳米管阵列的超级电容器性能,具有高度择优取向结构的氢化TiO纳米管阵列放电比容量约是随机取向的4.5倍。