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1、锰基氧化物碳复合材料的制备及电化学性能1、相关定义1.1、纳米复合材料的定义及特性纳米复合材料(Nanocomposites)是由两种或两种以上不同性质的固相至少在-6-石墨烯纳米复合材料的制备、表征及对H2O2电化学性质的研究一维以上纳米级大小(1~100nm)复合而成的复合材料。这种复合纳米材料除了在基本性能上具有普通单一纳米材料所具有的表面效应、体积效应及量子尺寸效应等特点外,还具有复合协同多功能效应[20]。复合纳米材料综合了各组分的优点,改善了单一粒子的表面性质,如在力学[21][22]、磁学[23]、生物学[24][25][26]等方面,纳米复合材料不仅稳定性提高,而且还能与
2、无机、有机物兼容,同时复合后材料的物理、化学性质出现了新的变化。这使纳米复合材料具有许多优异的性能和广泛的应用价值。石墨烯纳米复合材料是在纳米材料研究的基础上,通过与纳米材料复合而成的新型材料,已在光、电、磁等功能材料的研究上取得了令人瞩目的成果,成为复合材料研究领域的一个热点。由于金属纳米粒子具有表面上催化活性位多,比表面积大的优点,这就使其催化活性高、选择性好。利用金属纳米粒子的优异的催化性能,并用石墨烯做为载体,既能发挥纳米粒子的高催化性和高选择性,又能通过石墨烯的稳定作用增强其自身的稳定性。1.2、锂离子电池概念和基本原理2锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四部分构
3、成。正负极材料由两种不同的锂嵌入化合物组成,贮存和释放电能是通过锂离子在两极间的来回迁移来实现的。正极材料一般为嵌锂化合物,如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等,负极多采用石墨和TiO2,电解液可以是液态的,凝胶或固体高分子,大多数锂离子电池采用包含锂盐(LiPF6,LiBF4,LiClO4,LiBC4O8(LiBOB),Li[PF3-(C2F5)3])的液态有机电解质,有机溶剂一般为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙甲酯(简写分别为:EC,DMC,DEC,EMC),常用的隔膜为多孔聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。图1.1锂离子电池工作原理[14]图1.1是锂离子电池
4、工作示意图,充电时,Li+从正极脱出经电解液嵌入到负极,正极会逐渐出现贫锂状态,而负极则处于富锂状态,此时,外电路给负极提供电子以补偿电荷;放电时则相反,锂离子脱出,经电解液嵌入正极,电子经外电路从负极流向正极。随着Li+在正负极间的迁移,伴随着等当量的电子的迁移,于是在两电极间发生了氧化还原反应,将化学能转换成电能,并将能量储存在电池中,因而锂离子电池也被形象地称为”摇椅电池”。[15]选取以LiFePO4为正极,TiO2为负极组装的锂离子电池为例,电池的电极反应如下所示:阴极:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-(1)阳极:TiO2+xLi++xe-→LixTiO2
5、(2)总反应:LiFePO4+TiO2→Li1-xFePO4+LixTiO2(3)在正常充放电情况下,锂离子在正负极材料之间的往返脱嵌,一般只会引起材料层间距3的变化,不会破坏电极材料的晶体结构,从而保证了电池良好的循环寿命和安全性,因此锂离子电池的电极反应是一种理想的可逆过程。1.3、纳米材料的定义和分类在召开的首届国际纳米科学技术会议上正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支,标志着纳米技术的诞生。狭义的纳米材料一般是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米级(通常为1-100nm),或由它们作为基本结构所构成的材料[2]。纳米技术是通过研究组成物质的基本微粒的运动规律及特性,从而深入探究
6、处于纳米尺度范围内的物质所具有的理化性质、功能及其高超的应用技术。目前国际上将处于1-100nm范围内的超微颗粒及其致密的聚集体,以及由纳米微粒所构成的材料统称为纳米材料。广义上,纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群构成的。同时表面层的微粒占很大比例,所以纳米材料是一类以纳米结构按一定方式组成的体系,或排列于一定基体中的纳米结构分散形成的体系,主要包括纳米超微颗粒、纳米块体材料和纳米复合材料等。纳米材料分类的方法较多,最常用的是按照组成纳米材料的基本单元所处的维数可分为:①零维。指在纳米材料的空间三维尺寸均在纳米尺度内,如纳米尺度颗粒、原子簇、量子点等。②一维。指在空间有
7、两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等。③二维。是指在三维空间中有一维处于纳米尺度,如超薄膜、超晶格、石墨烯等。构成纳米材料的物质的有金属纳米材料、半导体材料、纳米陶瓷材料、有机-无机纳米复合材料及介孔复合材料等。各种颗粒的粒径范围如图1-1所示。1图1-1各种颗粒的粒径范围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
