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二氧化钛纳米晶体表面结构控制及其锂离子电池性质研究摘要：在钛酸钾纳米材料（KNTWs）前驱物的辅助下合成出具有高指数｛401｝晶面裸露的TiO2纳米晶，而且通过调控不同的实验条件合成不同形貌的TiO2纳米晶体，并对几种不同形貌的TiO2纳米晶体进行电化学性能的测定，其结果表明通具有高指数｛401｝晶面裸露的细长八面体TiO2充放电容量比其它形貌的明显要更高。34456
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毕业论文关键词：电化学 高指数晶面 水热合成法 纳米颗粒 二氧化钛
Morphology Control of Anatase TiO2 Spindly Octahedra with Exposed High-Index {401} Facets and Application in Lithium-Ion Batteries
Abstract:In Potassium titanate nanomaterials precursors of assisted synthesis (401) crystal exposed TiO2 nanocrystals , and by regulating the different experimental conditions of the synthesis of different morphology of TiO2 nanocrystals and the several different morphology of TiO2 nanocrystals to determine the electrochemical properties , the result shows that by changing the adsorbent for synthesis of three different morphology of TiO2 nanocrystals of exposed surface , thin octahedral TiO2 power and charging capacity is significantly higher than that of the other shapes .
Keywords:electrochemistry; high-index facets; hydrothermal synthesis; nanoparticles; titanium dioxide
1 前言
材料的性能不仅与其基本化学组分和尺寸有关，而且与材料表面结构有关。特别是当材料的尺寸达到纳米尺度时，材料的表面结构对其宏观性能有着巨大的影响。锂离子电池一直被认为是一种有吸引力的电源，由于它的高能量密度和高功率容量的性质，而被用于电子产品，移动电话，以及笔记本电脑等[1-5]。高性能的锂离子电池的性能优越主要是体现在能量的容量优越性、循环稳定性以及倍率性能等这几个方面的因素[6]。在电极材料方面实现突破，是一种提高电池的性能的有效方法[7-9]。近来，研究人员发现，材料表面结构在对电化学性能有着重大影响[10-12]。例如,Sun与他的合作者曾报道称Li[Li(1/3)-(2 x/3)NixMn(2/3)-(x/3)]O2这种物质裸露其（010）面比其裸露（001）面具有更好的倍率性能[11] 。Li与其同事报道称正八面体Co3O4的（111）面比立方体Co3O4的（001）面和被切去顶端的正八面体Co3O4的（001）面和（111）面有着更高的可逆容量和更好的倍率容量[12]。
由于高指数晶面具有高度密集的原子阶，不饱和键和扭结位等高活性的位点,因此通常表现出高的活性[13-18]。例如，我们的小组研究发现SnO2纳米颗粒具有高指数{221}晶面裸露比裸露低指数的{110}面能展现出更高的气体活性感[15]。Yang与其同事报道称Ti0.89Si0.11O2其裸露的高指数{201}面比其裸露的{101}面具有更高的光催化活性[16]。然而，在晶体生长期间，高指数晶面具有高表面能的生长比其它具有低表面能的晶体成长速度更快。因此，合成具有高指数裸露表面的纳米颗粒一直是个巨大的挑战。在目前，典型的制备具有高指数裸露表面的纳米颗粒是采用表面活性剂吸附在特殊的晶体表面上。然而，表面活性吸附剂通常能使材料的活性减弱。
TiO2一直被研究作为锂离子电池的电极材料，因为它特定的晶体结构，便于在放电和充电过程中嵌入和脱出锂离子[19-22]。最近，有许多报道关于锐钛矿型TiO2粒子由于其特殊的{ 001 }晶面裸露而具有优异的储锂能力[23-24]。然而，报道关于锐钛矿型TiO2粒子具有高指数晶面裸露与锂离子电池性能之间关系却非常少，其原因是很难合成具有高裸露指数表面的纳米晶体颗粒[25]。正如我们所知，各向异性是单晶的基本特性。各种晶体面对不同吸附剂有不一样的吸附能力，当特定的晶面吸附上特定的吸附剂时，能够降低裸露表面的能量和阻碍相应晶体表面的生长。在本体系中，由于溶液中含有羟基离子能把钛酸钾材料转化为锐钛矿型TiO2微粒。并且我们发现反应溶液的PH值大约为11左右。在理论上，研究者们估算锐钛矿型TiO2的（100）面表面自由能在基本条件下应比（001）面低[26]。在实验中，研究者们还表明羟基离子会优先的吸附到锐钛矿的（100）面从而阻止晶体沿着a和b晶轴生长[27]。因此，我们推断羟基离子在形成细长的八面体TiO2微粒时起着很重要的作用。
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