多層次結構硅酸鹽復合材料的制備及其在水處理和鋰離子電池中的應用.pdf

1、硅酸鹽是固體地球的主要組成成分，大自然中的硅酸鹽主要以島狀、鏈狀、網狀和層狀的形式存在，其中層狀硅酸鹽以其獨有的層狀孔道結構而吸引了廣泛的研究。硅酸鹽材料由于其制備簡單、來源豐富、價格便宜、及獨特的多孔結構在吸附、催化、藥物等領域得到了廣泛應用。但其固有的一些性能缺陷如導電性較差等又限制了實際的應用。納米顆粒合成技術的發(fā)展使得各種形貌的硅酸鹽制備得以實現，也便于將硅酸鹽和其他材料進行復合以克服其缺點，進而發(fā)揮協同效應。因此，本論文設計合

2、成了一系列具有多層次結構的層狀硅酸鹽納米復合材料，從組分和結構上對硅酸鹽進行優(yōu)化，提高其在水處理和鋰離子電池中的性能。例如，一維的碳納米管/層狀硅酸鎳的同軸結構，二維的硅酸鎂/氧化石墨烯三明治結構，三維的氧化鎂/介孔二氧化硅納米球核殼結構。
　　本課題的創(chuàng)新點主要在于:1）首次研究了同軸結構的硅酸鎳/碳納米管在鋰離子電池負極當中的應用。通過引入碳納米管，克服了硅酸鎳導電性能差的缺點，提高了復合材料的電化學性能。2）首次合成了三明治

3、結構的硅酸鎂/石墨烯，并對其重金屬離子和染料的吸附能力進行了研究。3）首次合成了硅酸銀/氧化石墨烯和硅酸銀/碳納米管，并對其光催化性能進行了比較和研究。
　　1、使用碳納米管為物理模板和導電劑，合成了一維同軸結構的硅酸鎳@碳納米管復合材料。層狀硅酸鎳納米片的層間距約為0.74納米，不僅有利于鋰離子的嵌入脫嵌，而且可以實現鈉離子嵌入脫嵌。碳納米管使復合材料的導電性能得以提升，有助于電子和鋰離子的傳輸;其空心管狀結構也為循環(huán)充放電過程

4、中鋰離子嵌入和脫嵌提供了緩沖空間，有利于循環(huán)穩(wěn)定性能的提高。作為鋰離子電池負極，硅酸鎳@碳納米管在電流密度為50 mA/g的條件下，50圈的循環(huán)充放電之后，仍能維持489 mA h/g的可逆容量，遠高于純硅酸鎳納米管的107 mAh/g，亦高于文獻報道的其他純硅酸鹽材料的可逆容量。
　　2、通過水熱法制備二維三明治結構的硅酸鎂/石墨烯復合材料，研究其對有機染料和重金屬離子的吸附性能。BET比表面積達到450m2/g。復合材料對亞甲

5、基藍染料和鉛離子的吸附符合Langmuir吸附模型，對亞甲基藍和鉛離子的最大吸附量分別為424 mg/g和416mg/g，是純硅酸鎂材料的271％和126％。石墨烯不僅作為負載基體有效地分散硅酸鎂納米片結構，提高了復合材料的比表面積;其自身具有的大量含氧官能團也為復合材料提供了更多的吸附位點，微米尺寸片層結構也使吸附劑可以在重力作用下進行有效分離。除了保留各組分優(yōu)異物理化學特性，復合材料還表現出良好的協同作用，使機械穩(wěn)定性和吸附性能得以

6、提高。該復合材料在水污染處理領域有較好的應用潛力。
　　3、合成了三維核殼結構的氧化鎂@介孔二氧化硅復合材料。在由氧化鎂納米顆粒組裝形成的多孔微球外包覆一層介孔二氧化硅的外殼，不僅提高了氧化鎂的機械穩(wěn)定性，以防止在機械攪拌過程中結構被破壞;同時還為溶液中污染物質的擴散提供了濃度梯度和更好的傳質效果。合成的核殼結構復合材料對鉛離子和亞甲基藍分別達到了3155毫克/克和420毫克/克的吸附容量，遠高于純氧化鎂對鉛離子和亞甲基藍的245