納米碳化鈦復(fù)合材料的構(gòu)建及儲(chǔ)能性能.pdf

1、碳化鈦是一種典型的過(guò)渡金屬碳化物，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐酸堿腐蝕和高導(dǎo)電性等特性，廣泛應(yīng)用于切割刀具材料、陶瓷材料、耐火材料和硬質(zhì)合金等。本文以超臨界二氧化碳流體沉積技術(shù)、生物模板法結(jié)合高溫碳熱還原合成了介孔碳/碳化鈦和碳化鈦納米棒結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并分別與單質(zhì)硫、五氧化二鈮等儲(chǔ)能材料復(fù)合，構(gòu)建了介孔碳/碳化鈦硫鋰硫電池正極材料和碳化鈦/五氧化二鈮超級(jí)電容器材料。重點(diǎn)研究了材料微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的關(guān)系，為碳化鈦在新型儲(chǔ)能領(lǐng)

2、域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，本文取得的主要結(jié)果如下:
　　(1)利用超臨界CO2流體的高效溶解能力和傳質(zhì)能力，將鈦酸四丁酯注入到介孔碳材料內(nèi)部，采用高溫碳熱還原工藝合成TiC/C復(fù)合材料。通過(guò)X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和比表面積測(cè)試(BET)等材料分析測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料是由TiC納米晶粒鑲嵌于介孔碳材料內(nèi)部，形成具有介孔碳/碳化鈦獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的碳化鈦合成方法相比，此方法合成

3、的物相較純，并且碳化鈦顆粒大小是納米級(jí)別，復(fù)合材料的比表面積高達(dá)760m2g-1;
　　(2)通過(guò)熱擴(kuò)散方式對(duì)超臨界CO2輔助合成的TiC/C進(jìn)行儲(chǔ)硫處理，合成含硫量高達(dá)74wt.％的TiC/C-S復(fù)合材料。通過(guò)XRD、SEM、TEM和X射線能量色散譜儀(EDS)等材料分析測(cè)試手段研究發(fā)現(xiàn)單質(zhì)硫很好的進(jìn)入了TiC/C材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并且分布均勻。電化學(xué)測(cè)試表明，小電流活化后的TiC/C-S電極在0.2Ag-1的電流密度下具有821m

4、Ah g-1容量，循環(huán)200次后容量率保持在73％以上，明顯優(yōu)于CMK-3-S和TiO2/C-S。TiC/C-S電極優(yōu)異的電化學(xué)性能歸結(jié)于以下幾個(gè)方面:一是極性的碳化鈦顆粒對(duì)多硫化物具有化學(xué)作用力，能夠減緩多硫化物引起的鋰硫電池穿梭效應(yīng);導(dǎo)電碳化鈦的添加，能夠改善單質(zhì)硫的導(dǎo)電性，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，加速電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué);三是介孔碳碳層結(jié)構(gòu)也可能在一定程度上限制了多硫化物的外泄，使材料具有優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。
　　(3)采用

5、生物模板法結(jié)合高溫碳熱還原工藝，合成TiC納米棒。再利用溶膠凝膠法結(jié)合超臨界CO2干燥技術(shù)制備具有核殼結(jié)構(gòu)的TiC/Nb2O5復(fù)合材料。利用XRD、SEM等材料分析測(cè)試手段系統(tǒng)分析了TiC/Nb2O5的微結(jié)構(gòu)形貌，結(jié)果表明:TiC納米棒的直徑在50-200nm，長(zhǎng)度在幾到幾十微米之間，Nb2O5以顆粒的形式長(zhǎng)在TiC納米棒上形成核殼結(jié)構(gòu)的TiC/Nb2O5。電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nb2O5的含量為75wt.％，其復(fù)合材料TiC/Nb2O5-

6、2的電化學(xué)性能最優(yōu)，在0.1Ag-1的電流密度下經(jīng)過(guò)200次循環(huán)充放電測(cè)試以后仍然有著129mAh g-1容量。當(dāng)用AC活性炭與其按照質(zhì)量比2∶1匹配作為正負(fù)極組裝TiC/Nb2O5‖AC鋰離子電容器器件。器件最大的能量密度為43.8Wh kg-1，此時(shí)仍然具有52.5W kg-1的功率密度，當(dāng)功率密度達(dá)到3500W kg-1，充放電只需15s，此時(shí)仍然有14.5Wh kg-1的能量密度。TiC/Nb2O5復(fù)合材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能主