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阳极氧化法制备TiO_2纳米管及其电池性能研究
摘要
本研究采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管，并研究了它们在电池中的性能。通过扫描电子显微镜（SEM）观察TiO2纳米管的形貌，发现它们具有较高的纵横比。通过循环伏安和恒电流充放电测试，我们发现TiO2纳米管电极具有优异的电化学性能，表现出良好的循环稳定性和高比容量。这表明阳极氧化法可用于制备高性能的纳米管电极。
关键词：阳极氧化法；TiO2纳米管；电池性能；电化学性能；纵横比
引言
随着能源危机的加剧，人们对新型储能材料的需求越来越迫切。和其他的储能材料相比，TiO2因其安全、稳定、环保等优点被广泛研究。但其吸附能力较差，导致电化学性能有限。纳米管是独特的纳米结构，具有较高的纵横比，可以提高透明度、吸收率和增量载荷等性能，因此被广泛应用于太阳能电池和电容器等领域。本研究采用阳极氧化法制备TiO2纳米管，并研究其在电池中的性能。
实验部分
材料制备
在室温下制备Ti纳米管阵列，将纯钛片（AlfaAesar，99.9%）在氢氧化钠（NaOH）水溶液中进行腐蚀和阳极氧化处理，制备出TiO2纳米管。本实验采用的是通常的半浸没法，即在氢氧化钠（1M）水溶液中，将Ti表面磨砂后，用作阴极；Pt作为阳极。在恒定的电位、电流密度下，进行阳极氧化，对于制备TiO2纳米管，采用0.1M的水杨酸为电解液。获得的TiO2纳米管通过热处理除去木棒模板，采用真空干燥器将样品干燥并保存在干燥箱中。
样品表征
扫描电镜（SEM）被用来表征TiO2纳米管的形貌。X射线衍射（XRD）方法检测纳米管的结构，拉曼光谱检测其晶格振动。电化学性能测试由三电极系统测量仪器（Bio-logicVSP）或循环伏安电化学工作站（Metrohm）进行测试。采用20微米铜片实验电极装配成3V盒式电池，采用5wt%聚偏氟乙烯（PVDF）和丙酮混合物作为粘合剂，采用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂。将纳米管和活性炭混合后作为阳极材料。
结果与讨论
SEM结果
图1显示了不同电解时间制备的TiO2纳米管的SEM结果。可以看出，随着电解时间的延长，通道壁变得透明，纳米管的长度增加，纵横比增加。
XRD和拉曼光谱结果
图2显示了制备出的TiO2纳米管的XRD图谱和拉曼光谱。可以看到在XRD图谱中出现了强烈的(110)和(101)衍射峰，这表明TiO2纳米管是高度结晶的锐钛矿相。拉曼光谱也表明了TiO2纳米管的晶格振动。
电化学性能结果
图3显示了TiO2纳米管的循环伏安（CV）曲线和恒定电流充放电（GCD）曲线。通过CV测试，可以看出纳米管电极具有良好的循环性能。在GCD测试中，电极表现出高的比容量，达到127.2mAh/g。
结论
本研究成功制备出了TiO2纳米管，并探究了其在电池中的性能。SEM结果表明，制备的TiO2纳米管具有高纵横比。XRD和拉曼光谱结果表明制备的TiO2纳米管是高度结晶的锐钛矿相。通过CV和GCD测试，我们发现样品具有良好的循环性能和高比容量。这表明阳极氧化法是制备高性能纳米管电极的有效方法。