氫化納米二氧化鈦微結構與性能研究

《氫化納米二氧化鈦微結構與性能研究》是依託北京工業大學，由陳戈擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氫化納米二氧化鈦微結構與性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳戈
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

氫化納米二氧化鈦（TiO2）自從2011年被報導以來，由於其獨特的表面無序層，豐富的氧缺陷和表面官能團，以及在可見光及近紅外區域的強吸收，在光催化與電化學領域均展現出與普通納米TiO2完全不同的性質。儘管所報導的相關套用性能令人鼓舞，然而對於其微結構以及與相應性能關係的理解遠遠不能令人滿意。本項目擬採用電漿輔助氫化技術對不同尺寸，形貌，晶型的納米TiO2進行氫化處理，通過改變氫離子動能和密度，反應時間等手段控制納米TiO2的氫化程度，進而利用X射線吸收譜、正電子湮沒、核磁共振等多種物性分析手段研究氫化納米TiO2表面無序區域鈦元素空間配位及電子結構,氧缺陷類型、濃度、分布，以及氫在TiO2的摻雜情況，分析無序層與晶態核心之間的界面相互作用，並測試材料的相關套用性能，初步揭示氫化納米TiO2微結構與套用性能之間關係，此項研究將為氫化納米TiO2這一新材料的進一步發展套用提供研究基礎。

結題摘要

氫化納米二氧化鈦由於其獨特的氧空位結構特性，在很多能量儲存及轉換領域有著潛在的套用，然而深刻理解這些性能需要對材料微結構與性能之間的構效關係進行深入的研究。在本項目的資助下，項目負責人主要研究了以下方面內容：一、氫化二氧化鈦及氧空位二氧化鈦可控合成及表征。二、所合成氫化二氧化鈦及氧空位二氧化鈦在電解水制氫，鋰離子電池負極材料，電催化劑載體、光熱治療，太陽能光熱水蒸發等套用性能的研究。三、研究氫化納米二氧化鈦微結構與性能之間的構效關係。取得的重要結果如下：一、合成具有氧空位二氧化鈦負載的氧化態鉑原子簇以及原子級分散的鉑氮催化劑，並運用球差矯正掃描透射電鏡，X射線吸收譜，X射線光電子能譜，密度泛函理論構造模型最佳化等方法揭示了材料的微觀結構，並測試其在電催化析氫方面的性能，結果顯示該材料展現出優異的催化性能以及穩定性，密度泛函理論計算揭示了氧空位在其中的起的重要的激活作用。二、等離子強氫化得到的氫化二氧化鈦/泡沫鎳複合材料作為雙功能電催化劑在電催化析氫和電催化析氧方面均有不俗的表現。密度泛函計算結果揭示氧空位周圍的氧原子具有較好的氫吸附能，這解釋了其催化性能提高的原因。三、將所製得的氫化二氧化鈦與聚乙二醇複合，具有40%的光熱轉換效率，套用於近紅外光熱治療癌細胞，這是首個二氧化鈦材料套用於近紅外光熱治療的工作，對癌細胞具有較好的光熱治療效果，同時具有低毒性。四、通過石墨烯氧化物與二氧化鈦通過仿生鈦化的辦法有效複合，形成具有多級結構的疊層二氧化鈦納米片，再利用5%氫氬配氣處理，發現氫氬氣熱處理過的材料，其Ti3+與氧空位信息與空氣中熱處理的明顯不同，而且材料的電化學性能也明顯不同，這表明氫化通過對微結構的改變影響到了材料的套用性能，當套用於鋰離子電池負極材料時，其表現出較高倍率性能和循環穩定性。