氧化物中空结构的化学合成及应用

二元过渡金属化合物微纳米材料因其独特的物理化学性质在储能、传感、催化等领域具有广泛的应用，因此制备二元过渡金属化合物的新颖微纳米结构、研究其生长机制、控制其结晶尺寸与维度一直是这一领域的研究热点。本论文以金属氧化物和硫化物中空结构为研究对象，在其合成新方法的设计、形成机制以及电化学性能（如能量存储和电化学传感）等方面进行了系统的探索研究。论文的主要内容包括以下几个方面：1.利用SnCl4和乙酰丙酮钒（IV）反应，以溶剂热法在190-220 ?C下合成了V2O3-SnO2双层壳纳米胶囊，经过后续的400-500 ?C煅烧，得到V2O5-SnO2双层壳中空纳米胶囊。双层壳中空纳米胶囊的形成机制为溶剂热过程中的两次奥氏熟化扩散过程（向内熟化和向外熟化）。2.将这一中空金属氧化物纳米材料合成体系扩展到其它氧化物，得到了各向异性的Co3O4多孔纳米胶囊。作为锂离子电池电极材料，这些中空结构的V2O5-SnO2双层壳纳米胶囊和Co3O4各向异性纳米胶囊均具有高的可逆比容量和优异的循环性能，在锂离子电池中表现出了良好的应用前景。3.以溶剂热得到的CuS和Cu2S实心颗粒为模板，在700-800 °C下氧化合成了CuO中空多孔微米胶囊。以其它金属硫化物如CoS和NiS为前驱物，在相同的反应机制下同样合成了具有中空和多孔结构的Co3O4和NiO。中空和多孔结构的形成归结于热氧化过程中的非平衡扩散、体积收缩以及原位产生的气体释放。4.通过溶剂热法得到的SnS一维纳米带为模板，合成了SnO2多孔纳米管和Sn@C纳米复合物。作为锂离子电池负极材料，SnO2多孔纳米管和Sn@C一维纳米复合物的首次放电比容量分别为910和1050 mA h g-1。5.以CuCl2和硫脲室温形成的金属络合物纳米线为牺牲模板，通过微波加热在75-85 ?C下快速合成了矩形截面CuS纳米管。通过调节前驱物金属络合物纳米线的尺寸获得了直径可调的CuS纳米管材料。作为无酶葡萄糖传感材料，CuS纳米管的灵敏度为9.9 mA mmol L-1，很低检测浓度为0.25 mmol L-1。本论文系统探索了金属氧化物和硫化物中空结构的化学合成和应用。作为锂离子电池电极材料，在能量存储和电化学传感方面，具有很好的应用前景。通过溶剂热法制备新颖微纳米结构，本研究为控制结晶尺寸和维度提供了重要参考，有助于实现微纳米结构的高效利用和产业化。