RuO?、SnO?改性TiO?/納米石墨陽極：制備工藝與電化學性能的深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電化學領域，電極材料作為電化學反應的關鍵載體，其性能優(yōu)劣直接決定了整個電化學體系的效率與穩(wěn)定性。從能源存儲與轉(zhuǎn)換角度看，無論是電池、超級電容器，還是燃料電池等，電極材料都在其中扮演著核心角色。例如，在電動汽車廣泛應用的鋰離子電池中，電極材料的性能直接影響電池的能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命，進而決定了電動汽車的續(xù)航里程、充電時長以及使用壽命。在可再生能源的利用方面，如太陽能、風能等轉(zhuǎn)化為電能后，需要高效的儲能設備進行存儲，而這些儲能設備的性能同樣依賴于電極材料。在電解水制氫領域，高性能的電極材料能夠降低析氫和析氧過電位，提高電解水的效率，從而促進氫能的大規(guī)模生產(chǎn)與應用。此外，在電化學傳感器中，電極材料的性能直接影響傳感器的靈敏度、選擇性和響應時間，對于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測等領域具有重要意義。因此，提升電極材料的性能是推動電化學領域發(fā)展的關鍵，對于解決能源危機、環(huán)境污染等全球性問題具有重要意義。TiO?/納米石墨陽極作為一種新型的電極材料，結(jié)合了TiO?的化學穩(wěn)定性、良好的電子傳輸性能以及納米石墨的高導電性和大比表面積等優(yōu)點，在電化學領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而，TiO?本身存在一些局限性，如電子傳導率相對較低，這會影響電極在充放電過程中的反應速率，導致電池的充放電效率不高，功率密度受限；在一些復雜的電化學環(huán)境中，TiO?的穩(wěn)定性仍有待提高，可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或化學腐蝕，從而影響電極的長期使用壽命。納米石墨雖然導電性良好，但在與TiO?復合時，界面兼容性可能不佳，導致復合材料的協(xié)同效應不能充分發(fā)揮。為了克服這些問題，對TiO?/納米石墨陽極進行改性研究顯得尤為重要。通過RuO?、SnO?對TiO?/納米石墨陽極進行改性，有望顯著提升其電化學性能。RuO?具有優(yōu)異的電催化活性，能夠降低電化學反應的過電位，加快反應速率。在TiO?/納米石墨陽極中引入RuO?，可以增強電極對氧化還原反應的催化能力，提高電極的充放電效率。SnO?具有較高的理論比容量，能夠增加電極的儲能能力。將SnO?與TiO?/納米石墨復合，可以提高陽極的比容量，從而提升電池等電化學裝置的能量密度。RuO?和SnO?的引入還可能改善TiO?與納米石墨之間的界面兼容性，增強復合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而提高電極的循環(huán)壽命。本研究對TiO?/納米石墨陽極進行RuO?、SnO?改性，對于推動電化學領域的發(fā)展具有重要的理論與實際意義。在理論層面，深入研究改性過程中材料的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)變化以及電化學反應機理，有助于豐富和完善電化學材料的基礎理論，為新型電極材料的設計與開發(fā)提供理論依據(jù)。在實際應用方面，改性后的TiO?/納米石墨陽極有望應用于高性能電池、超級電容器等儲能設備，提高其能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命，推動電動汽車、智能電網(wǎng)等領域的發(fā)展；也可能在電化學傳感器中發(fā)揮重要作用，提高傳感器的性能，促進環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測等領域的進步，對解決能源和環(huán)境問題具有積極的推動作用。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1碳材料電極的研究進展碳材料電極的發(fā)展歷程豐富且意義深遠，其應用領域不斷拓展，性能也持續(xù)優(yōu)化。早在19世紀末，天然石墨材料制成的碳素電極便開始應用于電解和電化學分析領域，天然石墨憑借良好的導電性和穩(wěn)定性，為早期的電化學研究和工業(yè)生產(chǎn)提供了基礎支持。到了20世紀40年代，人工石墨電極憑借更均勻的結(jié)構(gòu)和較高的導電性能開始廣泛應用，顯著提高了電解和電化學應用中的性能和效率。隨后在20世紀60年代，玻璃碳電極橫空出世，它具有低電荷傳遞電阻、低背景電流和高化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢，極大地推動了電化學分析、電解等領域的發(fā)展。20世紀70年代，新型碳素材料如金屬玻璃碳電極、碳納米管電極、石墨烯電極等相繼涌現(xiàn)，這些材料在電化學反應和催化性能方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，進一步豐富了碳材料電極的種類，為不同領域的應用提供了更多選擇。如今，碳材料電極在眾多領域都有重要應用。在能源存儲領域，如鋰離子電池、超級電容器等，碳材料電極的性能直接影響著設備的能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命。以鋰離子電池為例，傳統(tǒng)的石墨負極材料雖然具有較好的嵌鋰性能，但理論比容量相對較低，限制了電池能量密度的進一步提升。而石墨烯等新型碳材料因其優(yōu)異的導電性和高比表面積，有望提高電池的充放電性能和能量密度，成為研究熱點。在超級電容器中，活性炭作為常用的電極材料，通過優(yōu)化其比表面積、孔徑分布和表面官能團等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以有效提高超級電容器的比電容和功率密度。在電化學催化領域，碳材料電極也發(fā)揮著關鍵作用。在燃料電池中，碳載催化劑電極廣泛應用于陽極的燃料氧化反應和陰極的氧還原反應，碳材料不僅作為催化劑的載體，還參與電化學反應，其導電性和穩(wěn)定性對燃料電池的性能至關重要。在電解水制氫過程中，碳材料電極可以作為析氫或析氧反應的電極，通過改性和優(yōu)化，可以降低反應的過電位，提高電解水的效率。盡管碳材料電極在各領域取得了廣泛應用，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在能量存儲方面，提高碳材料電極的能量密度仍是關鍵難題。雖然新型碳材料不斷涌現(xiàn)，但在實際應用中，如何充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)能量密度的大幅提升，仍需深入研究。碳材料電極的循環(huán)穩(wěn)定性也有待提高，在多次充放電循環(huán)后，電極結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變化，導致容量衰減，影響設備的使用壽命。在電化學催化領域，提高碳材料電極的催化活性和選擇性是研究重點。如何設計和制備具有高活性位點和良好催化性能的碳材料電極，以及如何優(yōu)化電極與催化劑之間的協(xié)同作用，都是亟待解決的問題。碳材料電極的制備成本也是限制其大規(guī)模應用的因素之一，開發(fā)低成本、高效的制備工藝，對于推動碳材料電極的實際應用具有重要意義。1.2.2金屬氧化物改性碳材料的研究現(xiàn)狀常見金屬氧化物如RuO?、MnO?、Fe?O?、TiO?、SnO?等對碳材料的改性研究已取得了一系列成果。這些金屬氧化物具有獨特的物理化學性質(zhì)，如較高的理論比容量、良好的電催化活性等，與碳材料復合后，能顯著改善碳材料的性能。在作用機制方面，金屬氧化物與碳材料之間存在著復雜的相互作用。一方面，金屬氧化物可以作為活性中心，參與電化學反應，提供額外的法拉第贗電容，從而提高材料的比容量。MnO?具有豐富的氧化還原電對，在充放電過程中，通過Mn的價態(tài)變化，可以實現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移和離子存儲，增加材料的電容貢獻。另一方面，金屬氧化物可以改善碳材料的電子傳導性能。碳材料雖然具有良好的導電性，但在某些情況下，其電子傳輸效率仍有待提高。金屬氧化物與碳材料復合后，可以形成有效的電子傳輸通道，促進電子在材料內(nèi)部的傳輸，降低電極的內(nèi)阻。RuO?具有優(yōu)異的導電性，與碳材料復合后，可以增強復合材料的整體導電性，提高電極的充放電效率。金屬氧化物還可以增強碳材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在充放電過程中，碳材料可能會發(fā)生體積變化和結(jié)構(gòu)坍塌，導致性能下降。金屬氧化物的引入可以起到支撐和緩沖作用，抑制碳材料的結(jié)構(gòu)變化，提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。從改性效果來看，金屬氧化物改性碳材料在多個方面展現(xiàn)出優(yōu)勢。在比容量方面，研究表明，MnO?/碳復合材料的比容量相比純碳材料有顯著提高。當MnO?的負載量達到一定比例時，復合材料的比容量可提高數(shù)倍，這使得其在超級電容器等儲能設備中具有更高的能量存儲能力。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，F(xiàn)e?O?改性的碳材料在經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，容量保持率明顯高于純碳材料。這是因為Fe?O?的存在增強了碳材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少了在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)損傷，從而延長了電極的使用壽命。在電催化活性方面，RuO?改性的碳材料在氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。與未改性的碳材料相比，其起始電位更低，電流密度更高，能夠有效降低反應的過電位，提高反應速率，在燃料電池和電解水等領域具有潛在的應用價值。1.2.3TiO?改性碳材料的研究進展TiO?與碳材料復合后，展現(xiàn)出了一系列性能變化，在不同應用場景下也有著獨特的表現(xiàn)。在光催化領域，TiO?/碳復合材料展現(xiàn)出比純TiO?更高的光催化活性。這主要是因為碳材料具有良好的導電性，能夠快速轉(zhuǎn)移TiO?光生載流子，減少電子-空穴對的復合，從而提高光催化效率。研究表明，石墨烯與TiO?復合后，在可見光照射下，對有機污染物的降解速率明顯提高。石墨烯的高導電性為光生電子提供了快速傳輸通道，使其能夠迅速遷移到催化劑表面參與反應，而空穴則留在TiO?表面氧化有機物，這種協(xié)同作用顯著增強了光催化性能。在鋰離子電池領域，TiO?/碳復合陽極材料的性能也得到了顯著提升。TiO?具有較高的理論比容量和良好的安全性，但自身電子傳導率較低，限制了其在電池中的應用。與碳材料復合后，碳材料的高導電性彌補了TiO?的不足，提高了電極的電子傳輸速率，從而改善了電池的充放電性能。將納米石墨與TiO?復合制備的陽極材料，在充放電過程中，鋰離子能夠更快速地在電極材料中嵌入和脫出，電池的倍率性能得到明顯改善。在大電流充放電條件下，該復合電極的容量保持率較高，展現(xiàn)出良好的快速充放電能力，同時循環(huán)穩(wěn)定性也有所提高，經(jīng)過多次循環(huán)后，容量衰減較小，能夠滿足鋰離子電池在高性能應用中的需求。在傳感器領域，TiO?/碳復合材料也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以TiO?/碳納米管復合材料制備的氣體傳感器，對某些氣體具有更高的靈敏度和選擇性。碳納米管的高比表面積和良好的導電性，增加了傳感器與氣體分子的接觸面積，促進了電子轉(zhuǎn)移，使傳感器能夠更快速、準確地檢測目標氣體。當檢測特定有害氣體時，該復合傳感器能夠在較低濃度下產(chǎn)生明顯的電信號變化，響應時間短，恢復速度快，為環(huán)境監(jiān)測和氣體檢測提供了更有效的手段。1.2.4RuO?改性TiO?及碳材料的研究現(xiàn)狀RuO?對TiO?和碳材料的改性研究在提高電極性能方面發(fā)揮了重要作用。在對TiO?的改性中，RuO?的引入主要通過改變TiO?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)來提升其性能。研究表明，當RuO?摻雜到TiO?晶格中時，會引起晶格畸變，產(chǎn)生更多的氧空位和缺陷，這些缺陷可以作為活性位點，促進電化學反應的進行。在析氧反應（OER）中，RuO?改性的TiO?電極表現(xiàn)出較低的過電位和較高的電流密度。通過實驗測試，在相同的電位下，改性后的電極析氧電流密度比未改性的TiO?電極提高了數(shù)倍，這是因為RuO?的存在降低了OER反應的活化能，使得反應更容易發(fā)生，從而提高了電極的電催化活性，在電解水制氧等領域具有潛在的應用價值。RuO?對TiO?/碳復合材料的改性同樣具有顯著效果。RuO?的高導電性和良好的電催化活性可以進一步優(yōu)化TiO?與碳材料之間的協(xié)同作用。在超級電容器中，RuO?改性的TiO?/碳復合電極的比電容和循環(huán)穩(wěn)定性得到了明顯提升。RuO?作為活性物質(zhì)，提供了額外的法拉第贗電容，增加了電極的電荷存儲能力。同時，RuO?還可以增強TiO?與碳材料之間的界面結(jié)合力，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，減少在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化，從而提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，該復合電極的容量保持率較高，能夠滿足超級電容器對長壽命和高性能的要求。在鋰離子電池中，RuO?改性的TiO?/碳復合陽極材料也展現(xiàn)出更好的倍率性能和循環(huán)性能。在大電流充放電條件下，復合電極能夠保持較高的容量，這得益于RuO?改善了電子傳輸路徑，加快了鋰離子的擴散速率，使電極在快速充放電過程中仍能保持良好的電化學性能，為高性能鋰離子電池的發(fā)展提供了新的思路。1.2.5SnO?改性TiO?及碳材料的研究現(xiàn)狀SnO?改性TiO?和碳材料的研究取得了一定的進展，其對電極性能產(chǎn)生了多方面的影響，具有潛在的應用價值。SnO?改性TiO?時，主要通過調(diào)節(jié)TiO?的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)來提升性能。SnO?的加入可以改變TiO?的晶相組成，抑制TiO?從銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變，從而提高TiO?的熱穩(wěn)定性和光催化活性。在光催化降解有機污染物的實驗中，SnO?改性的TiO?催化劑表現(xiàn)出更高的降解效率。這是因為SnO?的引入增加了催化劑的比表面積和活性位點，促進了光生載流子的分離和傳輸，使得更多的光生電子和空穴能夠參與到降解反應中，提高了光催化性能，在環(huán)境凈化領域具有重要的應用前景。當SnO?用于改性TiO?/碳材料時，對電極的儲能性能和電催化性能都有積極影響。在鋰離子電池中，SnO?改性的TiO?/碳復合陽極材料的比容量得到顯著提高。SnO?具有較高的理論比容量，能夠與TiO?和碳材料協(xié)同作用，增加電極對鋰離子的存儲能力。在充放電過程中，SnO?可以通過與鋰離子的可逆反應存儲和釋放鋰離子，為電池提供額外的容量貢獻。同時，碳材料的高導電性和TiO?的穩(wěn)定性也有助于改善復合電極的循環(huán)性能和倍率性能。經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，該復合電極的容量保持率較好，在大電流充放電條件下仍能保持較高的容量，滿足了鋰離子電池對高能量密度和快速充放電的需求。在電催化領域，SnO?改性的TiO?/碳復合電極在一些電化學反應中表現(xiàn)出良好的催化性能。在析氫反應（HER）中，復合電極具有較低的過電位和較高的交換電流密度，能夠有效促進氫氣的析出。這是因為SnO?、TiO?和碳材料之間形成了良好的協(xié)同催化體系，優(yōu)化了電子傳輸和物質(zhì)擴散過程，提高了電極的催化活性，在電解水制氫等能源轉(zhuǎn)換領域具有潛在的應用價值。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在通過RuO?、SnO?對TiO?/納米石墨陽極進行改性，制備出具有高比容量、良好循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異倍率性能的高性能陽極材料，并深入研究其電化學性能，揭示改性機制，為該材料在電化學儲能領域的實際應用提供理論和實驗依據(jù)。圍繞上述研究目的，本研究將開展以下具體內(nèi)容：材料制備：采用溶膠-凝膠法制備TiO?/納米石墨復合材料，通過優(yōu)化制備工藝，如控制TiO?與納米石墨的比例、反應溫度和時間等，獲得具有良好結(jié)構(gòu)和性能的基礎材料。在此基礎上，運用浸漬-熱分解法將RuO?、SnO?負載到TiO?/納米石墨復合材料上，制備RuO?、SnO?改性TiO?/納米石墨陽極材料。精確控制RuO?、SnO?的負載量，研究不同負載量對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，確定最佳的改性條件。結(jié)構(gòu)表征：運用X射線衍射（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，確定TiO?、RuO?、SnO?的晶相組成以及它們之間的相互作用，分析晶體結(jié)構(gòu)的變化對材料性能的影響。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的微觀形貌，包括顆粒大小、形狀、分布以及界面結(jié)構(gòu)等，研究改性前后材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及微觀結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關系。采用X射線光電子能譜（XPS）分析材料表面的元素組成和化學狀態(tài)，確定RuO?、SnO?在材料表面的存在形式和化學結(jié)合狀態(tài)，揭示改性過程中表面化學性質(zhì)的變化。電化學性能測試：通過循環(huán)伏安（CV）測試，研究材料在不同掃描速率下的氧化還原行為，分析電極反應的可逆性和動力學過程，確定材料的電化學活性和反應機理。利用恒電流充放電（GCD）測試，測量材料的比容量、充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性，研究不同電流密度下材料的充放電性能，評估改性對材料儲能性能的提升效果。采用電化學阻抗譜（EIS）測試，分析材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻、離子擴散系數(shù)等電化學參數(shù)，研究改性對材料內(nèi)部電子傳輸和離子擴散過程的影響，揭示材料的電化學動力學特性。改性機制研究：綜合材料的結(jié)構(gòu)表征和電化學性能測試結(jié)果，深入研究RuO?、SnO?改性TiO?/納米石墨陽極的作用機制。從晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、表面化學性質(zhì)以及電化學動力學等方面，分析RuO?、SnO?如何改善材料的電子傳導、離子擴散和電極反應活性，闡明改性前后材料性能差異的本質(zhì)原因，為進一步優(yōu)化材料性能提供理論指導。二、實驗材料與方法2.1實驗材料與設備本實驗所需材料主要包括TiO?、納米石墨、RuO?、SnO?、無水乙醇、聚乙烯醇（PVA）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、乙炔黑等。其中，TiO?為分析純，粒徑在納米級別，購自[具體供應商名稱1]，其純度高、雜質(zhì)少，能為后續(xù)實驗提供穩(wěn)定的基礎材料；納米石墨具有高導電性和大比表面積，購自[具體供應商名稱2]，能夠有效提高復合材料的導電性能；RuO?和SnO?均為化學純，分別購自[具體供應商名稱3]和[具體供應商名稱4]，它們將用于對TiO?/納米石墨陽極進行改性，以提升其電化學性能；無水乙醇作為常用的有機溶劑，用于材料的分散和清洗，購自[具體供應商名稱5]；PVA和NMP用于制備電極漿料，增強電極的粘結(jié)性和穩(wěn)定性，分別購自[具體供應商名稱6]和[具體供應商名稱7]；乙炔黑作為導電劑，能夠進一步提高電極的導電性，購自[具體供應商名稱8]。實驗設備涵蓋了材料制備、表征和電化學性能測試等多個環(huán)節(jié)。在材料制備過程中，使用電子天平（精度為0.0001g，型號為[具體型號1]，[生產(chǎn)廠家1]）精確稱量各種原料，確保配方的準確性；磁力攪拌器（型號為[具體型號2]，[生產(chǎn)廠家2]）用于混合溶液，使各成分均勻分散；超聲波清洗器（功率為[具體功率]，型號為[具體型號3]，[生產(chǎn)廠家3]）輔助材料的分散和清洗，增強混合效果；恒溫干燥箱（溫度范圍為[具體溫度范圍]，型號為[具體型號4]，[生產(chǎn)廠家4]）用于干燥樣品，去除水分和溶劑；馬弗爐（最高溫度可達[具體最高溫度]，型號為[具體型號5]，[生產(chǎn)廠家5]）用于高溫煅燒樣品，促進材料的晶相轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。表征材料結(jié)構(gòu)和形貌時，采用X射線衍射儀（XRD，型號為[具體型號6]，[生產(chǎn)廠家6]），通過分析X射線衍射圖譜，確定材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成；掃描電子顯微鏡（SEM，型號為[具體型號7]，[生產(chǎn)廠家7]）和透射電子顯微鏡（TEM，型號為[具體型號8]，[生產(chǎn)廠家8]）用于觀察材料的微觀形貌，包括顆粒大小、形狀、分布以及界面結(jié)構(gòu)等；X射線光電子能譜儀（XPS，型號為[具體型號9]，[生產(chǎn)廠家9]）用于分析材料表面的元素組成和化學狀態(tài)。電化學性能測試則依賴于電化學工作站（型號為[具體型號10]，[生產(chǎn)廠家10]），通過循環(huán)伏安（CV）測試、恒電流充放電（GCD）測試和電化學阻抗譜（EIS）測試，研究材料的氧化還原行為、比容量、充放電效率、循環(huán)穩(wěn)定性以及電荷轉(zhuǎn)移電阻、離子擴散系數(shù)等電化學參數(shù)。此外，還使用了電池測試系統(tǒng)（型號為[具體型號11]，[生產(chǎn)廠家11]），用于模擬電池的實際充放電過程，評估材料在電池中的性能表現(xiàn)。2.2表征方法2.2.1表面組成及基團分析采用X射線光電子能譜（XPS）對陽極表面的組成和基團進行分析。XPS利用X射線激發(fā)樣品表面原子，使其內(nèi)層電子逸出，通過測量這些光電子的能量和強度，可獲得材料表面元素的種類、含量以及化學狀態(tài)等信息。在本研究中，通過XPS分析，能夠確定RuO?、SnO?在TiO?/納米石墨陽極表面的存在形式，以及它們與TiO?、納米石墨之間的化學結(jié)合狀態(tài)。分析RuO?中Ru元素的價態(tài)，判斷其在復合材料中的電催化活性中心；通過檢測SnO?中Sn元素的化學環(huán)境，了解其對陽極儲能性能的影響機制。這些信息對于深入理解改性陽極的電化學性能具有重要意義，有助于揭示改性過程中表面化學反應對材料性能的影響，為優(yōu)化材料性能提供依據(jù)。2.2.2晶相結(jié)構(gòu)分析運用X射線衍射（XRD）技術分析材料的晶相結(jié)構(gòu)。XRD的原理是基于X射線與晶體物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。當X射線照射到晶體樣品上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射，在某些特定的方向上，散射波會相互干涉加強，形成衍射峰。通過測量這些衍射峰的位置（2θ角度）、強度和峰形等參數(shù)，可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶相組成以及晶格參數(shù)等信息。在本研究中，XRD分析可確定TiO?、RuO?、SnO?各自的晶相，以及它們在復合材料中的相互作用情況。判斷TiO?是以銳鈦礦相還是金紅石相存在，因為不同晶相的TiO?具有不同的物理化學性質(zhì)，對電極性能有顯著影響；通過觀察RuO?、SnO?的衍射峰，分析它們在復合材料中的分散狀態(tài)和結(jié)晶程度。晶相結(jié)構(gòu)與電極性能密切相關，合適的晶相結(jié)構(gòu)能夠促進電子傳導和離子擴散，提高電極的電化學反應活性和穩(wěn)定性，因此XRD分析結(jié)果對于理解材料的性能和改性機制至關重要。2.2.3表觀形貌分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察陽極的表觀形貌。SEM通過電子束掃描樣品表面，收集二次電子或背散射電子，形成樣品表面的圖像，能夠提供材料表面的微觀形貌信息，如顆粒大小、形狀、分布以及表面粗糙度等。TEM則是利用電子束穿透樣品，通過對透射電子的成像和分析，獲得樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息，包括晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷、界面結(jié)構(gòu)等。在本研究中，通過SEM可以觀察到TiO?/納米石墨陽極的整體形貌，以及RuO?、SnO?改性后表面顆粒的變化情況，判斷改性物質(zhì)是否均勻分布在陽極表面；TEM能夠深入分析復合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察TiO?與納米石墨之間的界面結(jié)合情況，以及RuO?、SnO?在復合材料中的微觀分布和存在形式。表觀形貌對電極性能有著重要影響，均勻的顆粒分布和良好的界面結(jié)合能夠增強電極的導電性和穩(wěn)定性，促進電化學反應的進行，因此通過SEM和TEM分析可以為優(yōu)化電極性能提供微觀結(jié)構(gòu)方面的依據(jù)。2.2.4電化學分析采用循環(huán)伏安（CV）測試、恒電流充放電（GCD）測試和電化學阻抗譜（EIS）測試等方法對陽極的電化學性能進行分析。CV測試是在一定的電位范圍內(nèi)，以線性變化的掃描速率對工作電極施加電位，記錄電流隨電位的變化曲線。其原理基于電極表面發(fā)生的氧化還原反應，當電位掃描到合適的值時，電極表面的活性物質(zhì)會發(fā)生氧化或還原反應，產(chǎn)生相應的電流響應。通過分析CV曲線的形狀、峰電位和峰電流等參數(shù)，可以研究材料的氧化還原行為、電極反應的可逆性以及電化學反應動力學過程。在本研究中，CV測試可用于確定改性陽極的氧化還原電位窗口，評估電極反應的可逆程度，分析RuO?、SnO?改性對電極電化學反應活性的影響，確定電極反應的動力學參數(shù)，如電子轉(zhuǎn)移數(shù)、反應速率常數(shù)等。GCD測試是在恒定電流下對電極進行充放電操作，記錄電極電位隨時間的變化曲線。通過GCD曲線可以計算出電極的比容量、充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性等參數(shù)。比容量反映了電極存儲電荷的能力，充放電效率體現(xiàn)了電極在充放電過程中的能量轉(zhuǎn)換效率，循環(huán)穩(wěn)定性則表示電極在多次充放電循環(huán)后的性能保持能力。在本研究中，通過不同電流密度下的GCD測試，評估改性陽極在不同充放電條件下的儲能性能，研究RuO?、SnO?改性對陽極比容量、充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性的提升效果，為陽極材料在實際儲能應用中的性能評估提供數(shù)據(jù)支持。EIS測試是通過向電極體系施加一個小幅度的正弦交流信號，測量電極在不同頻率下的阻抗響應，得到電化學阻抗譜。阻抗譜通常由實部（Z'）和虛部（-Z''）組成，通過對阻抗譜的分析，可以獲得電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻、離子擴散系數(shù)、雙電層電容等電化學參數(shù)。電荷轉(zhuǎn)移電阻反映了電極表面電化學反應的難易程度，離子擴散系數(shù)表示離子在電極材料內(nèi)部的擴散速率，雙電層電容則與電極的界面性質(zhì)有關。在本研究中，EIS測試可用于研究RuO?、SnO?改性對陽極內(nèi)部電子傳輸和離子擴散過程的影響，分析改性前后電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻和離子擴散系數(shù)的變化，揭示材料的電化學動力學特性，為優(yōu)化電極材料的結(jié)構(gòu)和性能提供理論依據(jù)。2.3復合物及電極的制備2.3.1TiO?/納米石墨陽極的制備采用溶膠-凝膠法制備TiO?/納米石墨陽極。首先，將一定量的TiO?前驅(qū)體（如鈦酸丁酯）緩慢滴加到無水乙醇中，在磁力攪拌下形成均勻溶液A，滴加速度控制在[X]滴/分鐘，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時間為[X]小時，確保前驅(qū)體充分分散。然后，將納米石墨超聲分散在無水乙醇中，形成均勻的懸浮液B，超聲功率為[X]瓦，超聲時間為[X]分鐘，使納米石墨均勻分散在溶液中。接著，將溶液B緩慢加入到溶液A中，繼續(xù)攪拌[X]小時，使TiO?前驅(qū)體與納米石墨充分混合。隨后，向混合溶液中滴加適量的冰醋酸作為催化劑，調(diào)節(jié)溶液的pH值至[X]，滴加速度為[X]滴/分鐘，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時間為[X]小時，促進溶膠的形成。將得到的溶膠在室溫下陳化[X]小時，使其進一步凝膠化。將凝膠置于恒溫干燥箱中，在[X]℃下干燥[X]小時，去除水分和有機溶劑，得到干凝膠。然后將干凝膠研磨成粉末，放入馬弗爐中進行煅燒。煅燒過程分為兩個階段，第一階段以[X]℃/分鐘的升溫速率升溫至[X]℃，保溫[X]小時，使TiO?前驅(qū)體充分分解并形成TiO?晶體；第二階段以[X]℃/分鐘的升溫速率升溫至[X]℃，保溫[X]小時，進一步提高TiO?的結(jié)晶度，同時增強TiO?與納米石墨之間的結(jié)合力。煅燒結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到TiO?/納米石墨復合材料。將制備好的TiO?/納米石墨復合材料與粘結(jié)劑（如聚乙烯醇，PVA）、導電劑（如乙炔黑）按照質(zhì)量比[X]:[X]:[X]混合，加入適量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，在瑪瑙研缽中充分研磨，形成均勻的電極漿料。將電極漿料均勻涂覆在鈦片集流體上，涂覆厚度控制在[X]μm，采用刮刀涂布法，刮刀速度為[X]毫米/秒，確保涂層均勻。然后將涂覆好的電極在[X]℃下干燥[X]小時，去除溶劑，再在[X]MPa的壓力下壓實，得到TiO?/納米石墨陽極。在制備過程中，TiO?與納米石墨的比例、煅燒溫度和時間等因素對電極性能有顯著影響。TiO?與納米石墨的比例會影響復合材料的導電性和活性物質(zhì)的含量。當納米石墨含量過低時，復合材料的導電性不足，導致電極的內(nèi)阻增大，充放電過程中的能量損耗增加，比容量降低；而納米石墨含量過高時，會減少活性物質(zhì)TiO?的相對含量，同樣不利于電極的儲能性能。煅燒溫度和時間會影響TiO?的晶相結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。較低的煅燒溫度和較短的時間可能導致TiO?結(jié)晶不完全，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響電極的循環(huán)穩(wěn)定性；而過高的煅燒溫度和過長的時間可能會使TiO?晶粒長大，比表面積減小，活性位點減少，從而降低電極的電化學反應活性。2.3.2RuO?-TiO?/納米石墨陽極的制備在TiO?/納米石墨陽極的基礎上，采用浸漬-熱分解法引入RuO?。將一定量的RuCl??nH?O溶解在無水乙醇中，配制成濃度為[X]mol/L的RuCl?溶液。將制備好的TiO?/納米石墨復合材料浸入RuCl?溶液中，在室溫下攪拌[X]小時，使RuCl?充分吸附在TiO?/納米石墨表面，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘。然后將浸漬后的復合材料取出，在[X]℃下干燥[X]小時，去除乙醇溶劑。將干燥后的樣品放入馬弗爐中，在空氣中以[X]℃/分鐘的升溫速率升溫至[X]℃，保溫[X]小時，使RuCl?熱分解為RuO?，并牢固地負載在TiO?/納米石墨復合材料表面。熱分解過程中，RuCl?發(fā)生氧化反應，氯離子揮發(fā)，形成RuO?。煅燒結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到RuO?-TiO?/納米石墨復合材料。將RuO?-TiO?/納米石墨復合材料與粘結(jié)劑、導電劑按照質(zhì)量比[X]:[X]:[X]混合，加入適量NMP，在瑪瑙研缽中充分研磨形成電極漿料。將電極漿料涂覆在鈦片集流體上，涂覆厚度為[X]μm，采用刮刀涂布法，刮刀速度為[X]毫米/秒。在[X]℃下干燥[X]小時后，在[X]MPa的壓力下壓實，得到RuO?-TiO?/納米石墨陽極。RuO?的引入會改變電極的結(jié)構(gòu)和性能。RuO?具有優(yōu)異的電催化活性和導電性，負載在TiO?/納米石墨表面后，能夠在電極表面形成更多的活性位點，降低電化學反應的過電位，加快反應速率。RuO?還可以改善TiO?與納米石墨之間的電子傳輸路徑，增強復合材料的整體導電性，從而提高電極的充放電效率和倍率性能。RuO?的負載量也會對電極性能產(chǎn)生影響。負載量過低時，RuO?的改性效果不明顯；負載量過高時，可能會導致RuO?在復合材料表面團聚，減少活性位點，增加電極的內(nèi)阻，反而降低電極性能。2.3.3SnO?-TiO?/納米石墨陽極的制備采用溶膠-凝膠法與浸漬法相結(jié)合的方式制備SnO?-TiO?/納米石墨陽極。首先，將一定量的SnCl??5H?O溶解在無水乙醇中，形成溶液C，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時間為[X]小時，使SnCl??5H?O充分溶解。向溶液C中滴加適量的氨水，調(diào)節(jié)溶液的pH值至[X]，形成Sn(OH)?沉淀，滴加速度為[X]滴/分鐘，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時間為[X]小時。將沉淀離心分離，用無水乙醇洗滌[X]次，去除雜質(zhì)離子，離心速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，離心時間為[X]分鐘。將洗滌后的沉淀重新分散在無水乙醇中，加入適量的檸檬酸作為絡合劑，攪拌[X]小時，形成均勻的SnO?前驅(qū)體溶膠，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘。將制備好的TiO?/納米石墨復合材料浸入SnO?前驅(qū)體溶膠中，在室溫下攪拌[X]小時，使SnO?前驅(qū)體均勻吸附在TiO?/納米石墨表面，攪拌速度為[X]轉(zhuǎn)/分鐘。然后將浸漬后的復合材料取出，在[X]℃下干燥[X]小時，去除乙醇溶劑。將干燥后的樣品放入馬弗爐中，在空氣中以[X]℃/分鐘的升溫速率升溫至[X]℃，保溫[X]小時，使SnO?前驅(qū)體分解為SnO?，并與TiO?/納米石墨復合材料牢固結(jié)合。煅燒結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到SnO?-TiO?/納米石墨復合材料。將SnO?-TiO?/納米石墨復合材料與粘結(jié)劑、導電劑按照質(zhì)量比[X]:[X]:[X]混合，加入適量NMP，在瑪瑙研缽中充分研磨形成電極漿料。將電極漿料涂覆在鈦片集流體上，涂覆厚度為[X]μm，采用刮刀涂布法，刮刀速度為[X]毫米/秒。在[X]℃下干燥[X]小時后，在[X]MPa的壓力下壓實，得到SnO?-TiO?/納米石墨陽極。SnO?的加入會對電極性能產(chǎn)生多方面的改變。SnO?具有較高的理論比容量，能夠增加電極的儲能能力。在充放電過程中，SnO?可以通過與鋰離子的可逆反應存儲和釋放鋰離子，為電極提供額外的容量貢獻。SnO?還可以改善TiO?/納米石墨復合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在充放電過程中，材料可能會發(fā)生體積變化，SnO?的存在可以起到緩沖作用，抑制材料的體積膨脹和收縮，減少結(jié)構(gòu)損傷，從而提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。SnO?的含量也需要精確控制。含量過低時，對電極性能的提升效果不明顯；含量過高時，可能會導致復合材料的導電性下降，因為SnO?本身的導電性相對較弱，過多的SnO?會影響電子在材料中的傳輸，進而降低電極的充放電性能。2.4催化劑性能測試2.4.1電催化氧化降解甲基橙以甲基橙為目標污染物，測試陽極的電催化氧化性能。實驗采用三電極體系，工作電極為制備的RuO?-TiO?/納米石墨陽極、SnO?-TiO?/納米石墨陽極以及未改性的TiO?/納米石墨陽極，對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。將一定量的甲基橙溶于去離子水中，配制濃度為[X]mg/L的甲基橙溶液，并加入適量的Na?SO?作為支持電解質(zhì)，其濃度為[X]mol/L，以增強溶液的導電性。將三電極體系浸入裝有甲基橙溶液的電解池中，在恒電位模式下進行電催化氧化反應，施加的電壓為[X]V。反應過程中，使用磁力攪拌器以[X]轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌溶液，使反應體系均勻混合，確保污染物與電極充分接觸。每隔[X]分鐘取一次樣，每次取樣量為[X]mL，共取樣[X]次。采用紫外-可見分光光度計對取出的樣品進行分析，在甲基橙的最大吸收波長[X]nm處測量其吸光度。根據(jù)朗伯-比爾定律，吸光度與溶液濃度成正比，通過標準曲線法計算出樣品中甲基橙的濃度。標準曲線的繪制方法為：配制一系列不同濃度的甲基橙標準溶液，在相同條件下測量其吸光度，以吸光度為縱坐標，濃度為橫坐標，繪制標準曲線，得到吸光度與濃度的線性關系方程。根據(jù)方程計算出每次取樣時甲基橙的濃度，進而計算出甲基橙的降解率，公式為：降解率=（C?-C?）/C?×100%，其中C?為甲基橙的初始濃度，C?為反應t時刻甲基橙的濃度。通過比較不同陽極對甲基橙的降解率，評估陽極的電催化氧化性能。同時，還可以分析降解率隨時間的變化趨勢，研究陽極的電催化活性和穩(wěn)定性。如果某陽極在較短時間內(nèi)能夠使甲基橙的降解率達到較高水平，且在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，說明該陽極具有較好的電催化氧化性能。2.4.2電催化氧化降解頭孢曲松鈉以頭孢曲松鈉為底物，進一步研究陽極的電催化性能。實驗同樣采用三電極體系，工作電極、對電極和參比電極與電催化氧化降解甲基橙實驗相同。配制濃度為[X]mg/L的頭孢曲松鈉溶液，加入適量的Na?SO?作為支持電解質(zhì)，濃度為[X]mol/L。將三電極體系置于裝有頭孢曲松鈉溶液的電解池中，在恒電流模式下進行電催化氧化反應，電流密度設定為[X]mA/cm2。反應過程中，以[X]轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌溶液，使反應體系均勻。每隔[X]分鐘取[X]mL樣品，共取樣[X]次。采用高效液相色譜（HPLC）對樣品中的頭孢曲松鈉濃度進行測定。HPLC的工作條件為：色譜柱為[具體型號]，流動相為[具體組成及比例]，流速為[X]mL/min，檢測波長為[X]nm。通過與標準品的保留時間和峰面積進行對比，確定樣品中頭孢曲松鈉的濃度。根據(jù)初始濃度和不同時刻的濃度，計算頭孢曲松鈉的降解率，公式與甲基橙降解率計算公式相同。對實驗結(jié)果進行分析，比較不同陽極對頭孢曲松鈉的降解效果。研究降解率隨時間的變化規(guī)律，分析陽極的電催化活性和穩(wěn)定性。如果某陽極能夠在較短時間內(nèi)使頭孢曲松鈉的降解率達到較高水平，且在多次取樣過程中降解率波動較小，說明該陽極對頭孢曲松鈉具有良好的電催化性能。還可以結(jié)合反應過程中的電流-時間曲線、電位-時間曲線等，分析電催化反應的動力學過程，進一步探討陽極的電催化性能。2.4.3羥基自由基產(chǎn)量測定在電催化過程中，羥基自由基（?OH）作為一種強氧化性的活性物種，對污染物的降解起著關鍵作用。本實驗采用分光光度法測定羥基自由基的產(chǎn)量。其原理是基于羥基自由基與特定試劑的顯色反應，通過測量吸光度來間接測定羥基自由基的濃度。在電催化氧化降解污染物的實驗體系中，加入適量的對苯二甲酸（TA）作為捕獲劑，其濃度為[X]mol/L。羥基自由基與TA反應會生成具有熒光特性的2-羥基對苯二甲酸，在激發(fā)波長為[X]nm，發(fā)射波長為[X]nm的條件下，用熒光分光光度計測量反應體系的熒光強度。通過標準曲線法，將熒光強度與羥基自由基的濃度建立定量關系。標準曲線的繪制方法為：配制一系列已知濃度的羥基自由基標準溶液（通過Fenton試劑等方法制備），加入相同量的TA，在相同的熒光測定條件下測量熒光強度，以熒光強度為縱坐標，羥基自由基濃度為橫坐標，繪制標準曲線，得到熒光強度與羥基自由基濃度的線性關系方程。根據(jù)方程，由測量得到的熒光強度計算出反應體系中羥基自由基的濃度，進而得到羥基自由基的產(chǎn)量。分析羥基自由基在電催化過程中的作用，以及其產(chǎn)量與陽極性能的關系。羥基自由基具有極強的氧化能力，能夠非選擇性地與有機污染物發(fā)生反應，將其降解為小分子物質(zhì)甚至礦化為二氧化碳和水。如果某陽極在電催化過程中能夠產(chǎn)生較多的羥基自由基，通常其對污染物的降解效率也會更高。通過對比不同陽極在相同條件下產(chǎn)生羥基自由基的產(chǎn)量，可以進一步解釋陽極電催化性能的差異。若RuO?-TiO?/納米石墨陽極產(chǎn)生的羥基自由基產(chǎn)量高于未改性的TiO?/納米石墨陽極，這可能是RuO?的引入增加了電極表面的活性位點，促進了羥基自由基的生成，從而提高了該陽極的電催化活性，使其對污染物的降解效果更好。三、TiO?/納米石墨陽極電化學性能的研究3.1制備條件的優(yōu)選3.1.1煅燒溫度對制備TiO?/納米石墨陽極的影響在TiO?/納米石墨陽極的制備過程中，煅燒溫度是一個關鍵的影響因素，對陽極的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的作用。通過實驗對比不同煅燒溫度下制備的陽極性能，能夠深入分析其影響規(guī)律。在實驗中，固定其他制備條件，如TiO?與納米石墨的比例、前驅(qū)體的種類和用量、反應時間等，僅改變煅燒溫度，分別設置為400℃、500℃、600℃、700℃和800℃。采用XRD分析不同煅燒溫度下陽極材料的晶體結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示，在400℃煅燒時，TiO?主要以無定形狀態(tài)存在，僅有少量的銳鈦礦相TiO?晶體開始形成，這是因為較低的溫度不足以提供足夠的能量使TiO?前驅(qū)體完全結(jié)晶。隨著煅燒溫度升高到500℃，銳鈦礦相TiO?的衍射峰強度明顯增強，表明TiO?結(jié)晶程度提高，但仍存在部分無定形TiO?，此時陽極的晶體結(jié)構(gòu)逐漸趨于有序，但還不夠完善。當煅燒溫度達到600℃時，銳鈦礦相TiO?成為主要晶相，晶體結(jié)構(gòu)更加完整，結(jié)晶度進一步提高，這是制備銳鈦礦相TiO?/納米石墨陽極的適宜溫度范圍。繼續(xù)升高煅燒溫度至700℃，部分銳鈦礦相TiO?開始向金紅石相轉(zhuǎn)變，金紅石相TiO?的衍射峰逐漸出現(xiàn)，這是由于高溫下TiO?晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了相變。在800℃煅燒時，金紅石相TiO?的含量顯著增加，銳鈦礦相TiO?的含量減少，此時陽極的晶體結(jié)構(gòu)以金紅石相為主。利用SEM觀察不同煅燒溫度下陽極的微觀形貌。在400℃煅燒的陽極表面，TiO?顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的團聚狀態(tài)，顆粒大小不均勻，且與納米石墨的結(jié)合較為松散，這是因為無定形TiO?的粘附性較差，難以與納米石墨緊密結(jié)合。隨著煅燒溫度升高到500℃，TiO?顆粒開始逐漸結(jié)晶長大，團聚現(xiàn)象有所改善，與納米石墨的結(jié)合也更加緊密，這是由于結(jié)晶后的TiO?顆粒表面能降低，與納米石墨的相互作用增強。在600℃煅燒的陽極表面，TiO?顆粒大小相對均勻，分布較為分散，與納米石墨形成了良好的復合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于電子傳輸和離子擴散。當煅燒溫度達到700℃時，TiO?顆粒進一步長大，部分顆粒出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，導致陽極表面孔隙減少，比表面積降低，這會影響電極與電解液的接觸面積，進而影響電極的電化學性能。在800℃煅燒的陽極表面，TiO?顆粒燒結(jié)嚴重，形成了較大的塊狀結(jié)構(gòu)，納米石墨被包裹在其中，導致電極的導電性和活性位點減少。通過循環(huán)伏安（CV）測試和恒電流充放電（GCD）測試分析不同煅燒溫度下陽極的電化學性能。CV測試結(jié)果表明，在400℃煅燒的陽極，其氧化還原峰電流較小，峰電位差較大，這說明電極反應的可逆性較差，電化學反應活性較低，這是由于無定形TiO?的電子傳導性能差，導致電極反應動力學緩慢。隨著煅燒溫度升高到500℃，氧化還原峰電流增大，峰電位差減小，電極反應的可逆性得到改善，電化學反應活性提高，這是因為結(jié)晶后的TiO?電子傳導性能增強，有利于電極反應的進行。在600℃煅燒的陽極，氧化還原峰電流達到最大值，峰電位差最小，電極反應的可逆性最好，電化學反應活性最高，這表明此時的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌最有利于電化學反應的進行。當煅燒溫度達到700℃時，氧化還原峰電流開始減小，峰電位差增大，電極反應的可逆性變差，電化學反應活性降低，這是由于TiO?顆粒燒結(jié)和晶相轉(zhuǎn)變導致電極結(jié)構(gòu)和性能惡化。在800℃煅燒的陽極，氧化還原峰電流進一步減小，峰電位差進一步增大，電極反應的可逆性和電化學反應活性都很低，此時陽極的電化學性能嚴重下降。GCD測試結(jié)果顯示，在400℃煅燒的陽極，其比容量較低，充放電效率也較低，這是因為無定形TiO?的活性位點少，離子擴散困難，導致電極的儲能能力和能量轉(zhuǎn)換效率低。隨著煅燒溫度升高到500℃，比容量和充放電效率都有所提高，這是由于結(jié)晶后的TiO?活性位點增加，離子擴散速率加快，提高了電極的儲能能力和能量轉(zhuǎn)換效率。在600℃煅燒的陽極，比容量和充放電效率達到最大值，這表明此時的陽極具有最佳的儲能性能。當煅燒溫度達到700℃時，比容量和充放電效率開始下降，這是由于TiO?顆粒燒結(jié)和晶相轉(zhuǎn)變導致電極結(jié)構(gòu)和性能惡化，影響了離子的嵌入和脫出。在800℃煅燒的陽極，比容量和充放電效率都很低，此時陽極的儲能性能嚴重下降。綜上所述，煅燒溫度對TiO?/納米石墨陽極的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電化學性能都有顯著影響。在較低溫度下，TiO?結(jié)晶不完全，陽極的結(jié)構(gòu)和性能較差；隨著煅燒溫度升高，TiO?結(jié)晶度提高，陽極的結(jié)構(gòu)和性能逐漸優(yōu)化；但當煅燒溫度過高時，TiO?會發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變和顆粒燒結(jié)，導致陽極的結(jié)構(gòu)和性能惡化。因此，在制備TiO?/納米石墨陽極時，600℃左右是較為適宜的煅燒溫度，能夠獲得具有良好晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電化學性能的陽極材料。3.1.2TiO?投加量對制備TiO?/納米石墨陽極的影響TiO?投加量是影響TiO?/納米石墨陽極性能的重要因素之一，研究其變化對陽極性能的影響，對于確定最佳的TiO?投加比例具有重要意義。在實驗中，固定納米石墨的用量以及其他制備條件，如煅燒溫度、前驅(qū)體的種類和用量、反應時間等，改變TiO?的投加量，分別設置為10%、20%、30%、40%和50%（質(zhì)量分數(shù)）。采用XRD分析不同TiO?投加量下陽極材料的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，隨著TiO?投加量的增加，TiO?的衍射峰強度逐漸增強，這表明TiO?的含量增加，晶體結(jié)構(gòu)更加明顯。當TiO?投加量為10%時，TiO?的衍射峰相對較弱，說明此時TiO?在復合材料中的含量較低，對晶體結(jié)構(gòu)的影響較小。隨著TiO?投加量增加到20%和30%，TiO?的衍射峰強度明顯增強，晶體結(jié)構(gòu)更加完整，表明TiO?在復合材料中的比例逐漸增加，其晶體結(jié)構(gòu)對復合材料的影響逐漸增大。當TiO?投加量達到40%和50%時，TiO?的衍射峰強度繼續(xù)增強，但峰形逐漸變寬，這可能是由于TiO?顆粒的團聚導致晶體結(jié)構(gòu)的有序性降低。利用SEM觀察不同TiO?投加量下陽極的微觀形貌。當TiO?投加量為10%時，納米石墨在復合材料中占據(jù)主導地位，TiO?顆粒分散在納米石墨表面，但數(shù)量較少，且部分TiO?顆粒團聚在一起，與納米石墨的結(jié)合不夠緊密，這是因為TiO?含量較低，難以均勻分散在納米石墨表面。隨著TiO?投加量增加到20%和30%，TiO?顆粒數(shù)量增多，分布更加均勻，與納米石墨形成了較好的復合結(jié)構(gòu)，此時納米石墨為TiO?提供了良好的支撐和導電網(wǎng)絡，TiO?則作為活性物質(zhì)均勻分布在納米石墨表面，這種結(jié)構(gòu)有利于電子傳輸和離子擴散。當TiO?投加量達到40%時，TiO?顆粒開始出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，部分區(qū)域TiO?顆粒堆積在一起，導致復合材料的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，這會影響電極與電解液的接觸面積，進而影響電極的電化學性能。當TiO?投加量增加到50%時，TiO?團聚現(xiàn)象更加嚴重，納米石墨被大量的TiO?顆粒包裹，導致復合材料的導電性下降，活性位點減少。通過循環(huán)伏安（CV）測試和恒電流充放電（GCD）測試分析不同TiO?投加量下陽極的電化學性能。CV測試結(jié)果表明，隨著TiO?投加量的增加，氧化還原峰電流先增大后減小。當TiO?投加量為20%和30%時，氧化還原峰電流達到最大值，峰電位差較小，這說明此時電極反應的可逆性較好，電化學反應活性較高，這是因為適量的TiO?能夠提供足夠的活性位點，且與納米石墨形成了良好的復合結(jié)構(gòu)，有利于電子傳輸和電極反應的進行。當TiO?投加量為10%時，由于TiO?含量較低，活性位點不足，導致氧化還原峰電流較小，電極反應的可逆性和電化學反應活性較差。當TiO?投加量達到40%和50%時，由于TiO?團聚現(xiàn)象嚴重，導致活性位點減少，電子傳輸受阻，氧化還原峰電流減小，電極反應的可逆性和電化學反應活性降低。GCD測試結(jié)果顯示，隨著TiO?投加量的增加，比容量先增大后減小。當TiO?投加量為30%時，比容量達到最大值，充放電效率也較高，這表明此時的陽極具有最佳的儲能性能。當TiO?投加量為10%時，由于TiO?含量較低，活性物質(zhì)不足，導致比容量較低，充放電效率也較低。隨著TiO?投加量增加到20%和30%，活性物質(zhì)增加，且與納米石墨形成了良好的復合結(jié)構(gòu)，有利于離子的嵌入和脫出，比容量和充放電效率都有所提高。當TiO?投加量達到40%和50%時，由于TiO?團聚現(xiàn)象嚴重，導致離子擴散受阻，比容量和充放電效率都開始下降。綜上所述，TiO?投加量對TiO?/納米石墨陽極的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電化學性能都有顯著影響。適量的TiO?投加量能夠與納米石墨形成良好的復合結(jié)構(gòu)，提供足夠的活性位點，提高陽極的電化學性能；但TiO?投加量過高會導致TiO?團聚，影響電極的結(jié)構(gòu)和性能。因此，在制備TiO?/納米石墨陽極時，30%左右的TiO?投加量（質(zhì)量分數(shù)）較為適宜，能夠獲得具有良好性能的陽極材料。3.2電催化反應條件的優(yōu)選3.2.1外加電壓對電催化效果的影響外加電壓是影響電催化降解效果的關鍵因素之一，其變化會顯著改變電催化反應的速率和效率。在電催化氧化降解甲基橙的實驗中，固定甲基橙初始濃度為[X]mg/L，電解質(zhì)Na?SO?濃度為[X]mol/L，使用RuO?-TiO?/納米石墨陽極，在不同外加電壓（1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V）下進行電催化反應。隨著外加電壓的升高，甲基橙的降解率呈現(xiàn)出先快速上升后趨于平緩的趨勢。當外加電壓為1.0V時，甲基橙的降解率較低，在反應60分鐘后，降解率僅為[X]%。這是因為較低的外加電壓無法提供足夠的能量來驅(qū)動電化學反應，電極表面的活性位點難以充分激活，導致反應速率較慢，甲基橙的降解效果不佳。隨著外加電壓增加到1.5V，降解率明顯提高，60分鐘時達到[X]%。此時，外加電壓提供的能量使得電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率加快，更多的活性位點被激活，促進了甲基橙的氧化降解反應。當外加電壓進一步升高到2.0V時，降解率在60分鐘時達到[X]%，反應速率進一步加快。這是因為更高的外加電壓增強了電極與甲基橙分子之間的相互作用，使得甲基橙分子更容易在電極表面發(fā)生氧化反應，同時也加快了反應過程中電子的轉(zhuǎn)移速率，提高了電催化反應的效率。當外加電壓繼續(xù)升高到2.5V和3.0V時，降解率雖然仍有所增加，但增長幅度逐漸減小。在2.5V時，60分鐘的降解率為[X]%；在3.0V時，降解率為[X]%。這是因為當外加電壓超過一定值后，電極表面可能會發(fā)生其他副反應，如析氧反應（OER）等。OER的發(fā)生會消耗部分電能，導致用于甲基橙降解的有效能量減少，從而限制了降解率的進一步提高。過高的外加電壓還可能會使電極表面的活性位點發(fā)生變化，影響電極的穩(wěn)定性和催化活性。從電催化反應動力學角度分析，隨著外加電壓的升高，電催化反應速率常數(shù)k逐漸增大。通過對不同外加電壓下甲基橙濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)進行擬合，得到反應速率常數(shù)k與外加電壓的關系。當外加電壓從1.0V增加到2.0V時，k值從[X]min?1迅速增大到[X]min?1，表明反應速率顯著加快。這是因為外加電壓的升高降低了電化學反應的活化能，使得更多的反應物分子能夠越過反應能壘，參與到電催化反應中，從而提高了反應速率。當外加電壓繼續(xù)升高到2.5V和3.0V時，k值的增長速度逐漸減緩，分別為[X]min?1和[X]min?1，這與降解率的變化趨勢一致，進一步說明了過高的外加電壓對電催化反應的促進作用逐漸減弱。綜上所述，外加電壓對電催化降解甲基橙的效果有顯著影響。在一定范圍內(nèi)，提高外加電壓可以加快電催化反應速率，提高降解率；但當外加電壓過高時，會引發(fā)副反應，限制降解率的進一步提升。因此，在實際應用中，需要綜合考慮電催化效率和能耗等因素，選擇合適的外加電壓，以實現(xiàn)甲基橙的高效降解。對于本實驗中的RuO?-TiO?/納米石墨陽極，2.0V左右的外加電壓較為適宜，能夠在保證較高降解率的同時，避免過多的能量消耗和副反應的發(fā)生。3.2.2甲基橙初始濃度對電催化效果的影響甲基橙初始濃度是影響電催化降解過程的重要因素，其變化會對電催化性能產(chǎn)生顯著影響。在電催化氧化降解甲基橙的實驗中，固定外加電壓為2.0V，電解質(zhì)Na?SO?濃度為[X]mol/L，使用RuO?-TiO?/納米石墨陽極，研究不同甲基橙初始濃度（50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L）對電催化效果的影響。隨著甲基橙初始濃度的增加，在相同反應時間內(nèi)，甲基橙的降解率逐漸降低。當甲基橙初始濃度為50mg/L時，反應60分鐘后，降解率高達[X]%。這是因為在較低的初始濃度下，甲基橙分子在溶液中的分布相對稀疏，能夠更充分地與電極表面的活性位點接觸，電化學反應能夠較為順利地進行，從而實現(xiàn)較高的降解率。當甲基橙初始濃度增加到100mg/L時，60分鐘的降解率降至[X]%。此時，由于甲基橙分子數(shù)量增多，部分甲基橙分子無法及時與活性位點結(jié)合，導致反應速率受到一定影響，降解率有所下降。當初始濃度進一步增加到150mg/L時，降解率為[X]%，反應速率進一步減緩。這是因為較高的初始濃度使得溶液中甲基橙分子的濃度梯度增大，分子間的相互作用增強，阻礙了甲基橙分子向電極表面的擴散，從而降低了電催化反應的效率。當甲基橙初始濃度達到200mg/L和250mg/L時，降解率分別為[X]%和[X]%，下降趨勢更為明顯。這是因為在高濃度下，電極表面的活性位點被大量甲基橙分子占據(jù)，形成了一層相對穩(wěn)定的吸附層，使得后續(xù)的甲基橙分子難以接近活性位點，同時也增加了反應產(chǎn)物從電極表面脫附的難度，導致電催化反應的速率顯著降低。從反應動力學角度分析，隨著甲基橙初始濃度的增加，反應速率常數(shù)k逐漸減小。通過對不同初始濃度下甲基橙濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)進行擬合，得到反應速率常數(shù)k與初始濃度的關系。當甲基橙初始濃度從50mg/L增加到250mg/L時，k值從[X]min?1逐漸減小到[X]min?1。這表明初始濃度的增加會降低電催化反應的速率，與降解率的變化趨勢一致。在高初始濃度下，由于甲基橙分子的聚集和相互作用，使得電化學反應的活化能增加，反應速率受到抑制。雖然隨著甲基橙初始濃度的增加降解率降低，但降解量卻呈現(xiàn)出先增加后趨于平緩的趨勢。當甲基橙初始濃度從50mg/L增加到150mg/L時，降解量從[X]mg增加到[X]mg，這是因為雖然降解率有所下降，但初始濃度的增加使得溶液中甲基橙的總量增多，總體的降解量仍然增加。當初始濃度繼續(xù)增加到200mg/L和250mg/L時，降解量分別為[X]mg和[X]mg，增長幅度逐漸減小。這是因為在高濃度下，電催化反應受到抑制，降解率下降的幅度超過了初始濃度增加對降解量的促進作用，導致降解量的增長趨于平緩。綜上所述，甲基橙初始濃度對電催化降解效果有重要影響。較低的初始濃度有利于提高降解率和反應速率，但降解量相對較??；隨著初始濃度的增加，降解率和反應速率降低，但降解量在一定范圍內(nèi)會增加。在實際應用中，需要根據(jù)具體需求，綜合考慮降解率、降解量和處理效率等因素，選擇合適的甲基橙初始濃度，以實現(xiàn)電催化降解過程的優(yōu)化。3.2.3電解質(zhì)濃度對電催化效果的影響電解質(zhì)濃度在電催化反應中起著關鍵作用，其變化會對電催化效果產(chǎn)生多方面的影響。在電催化氧化降解甲基橙的實驗中，固定外加電壓為2.0V，甲基橙初始濃度為100mg/L，使用RuO?-TiO?/納米石墨陽極，研究不同電解質(zhì)Na?SO?濃度（0.05mol/L、0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L）對電催化效果的影響。隨著電解質(zhì)濃度的增加，溶液的電導率逐漸增大。當電解質(zhì)濃度從0.05mol/L增加到0.1mol/L時，溶液電導率從[X]S/cm增大到[X]S/cm。這是因為電解質(zhì)Na?SO?在溶液中電離出Na?和SO?2?離子，這些離子的存在增加了溶液中載流子的濃度，從而提高了溶液的導電能力。較高的電導率有助于降低電極與溶液之間的電阻，減少電能在溶液中的損耗，使得更多的電能能夠用于電催化反應，從而提高電催化效率。在電催化降解甲基橙的過程中，隨著電解質(zhì)濃度的增加，甲基橙的降解率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當電解質(zhì)濃度為0.05mol/L時，反應60分鐘后，甲基橙的降解率為[X]%。由于溶液電導率較低，電極與溶液之間的電阻較大，導致電催化反應過程中的電能損耗較大，電極表面的活性位點不能充分發(fā)揮作用，因此降解率較低。當電解質(zhì)濃度增加到0.1mol/L時，降解率顯著提高，達到[X]%。此時，溶液電導率的提高使得電極與溶液之間的電阻減小，電能能夠更有效地傳輸?shù)诫姌O表面，促進了電化學反應的進行，更多的甲基橙分子在電極表面發(fā)生氧化反應，從而提高了降解率。當電解質(zhì)濃度進一步增加到0.15mol/L時，降解率達到最大值[X]%。這是因為此時溶液的電導率和離子強度處于一個較為合適的范圍，既保證了電能的有效傳輸，又為電化學反應提供了良好的離子環(huán)境，使得電極表面的活性位點能夠充分發(fā)揮作用，電催化反應速率達到最快。當電解質(zhì)濃度繼續(xù)增加到0.2mol/L和0.25mol/L時，降解率分別降至[X]%和[X]%。這是因為過高的電解質(zhì)濃度會導致溶液中離子強度過大，離子之間的相互作用增強，形成了較強的離子氛，阻礙了甲基橙分子向電極表面的擴散，同時也可能會使電極表面的活性位點被過多的電解質(zhì)離子占據(jù)，從而降低了電催化反應的效率。從反應動力學角度分析，隨著電解質(zhì)濃度的增加，反應速率常數(shù)k先增大后減小。通過對不同電解質(zhì)濃度下甲基橙濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)進行擬合，得到反應速率常數(shù)k與電解質(zhì)濃度的關系。當電解質(zhì)濃度從0.05mol/L增加到0.15mol/L時，k值從[X]min?1增大到[X]min?1，表明反應速率逐漸加快。這是因為電解質(zhì)濃度的增加降低了電極與溶液之間的電阻，提高了電催化反應的驅(qū)動力，使得反應速率加快。當電解質(zhì)濃度從0.15mol/L繼續(xù)增加到0.25mol/L時，k值從[X]min?1減小到[X]min?1，反應速率逐漸降低，這與降解率的變化趨勢一致，進一步說明了過高的電解質(zhì)濃度會對電催化反應產(chǎn)生抑制作用。綜上所述，電解質(zhì)濃度對電催化降解甲基橙的效果有顯著影響。適當增加電解質(zhì)濃度可以提高溶液的電導率，降低電極與溶液之間的電阻，促進電化學反應的進行，提高降解率；但過高的電解質(zhì)濃度會導致離子強度過大，阻礙甲基橙分子的擴散和電化學反應的進行，降低降解率。因此，在實際應用中，需要選擇合適的電解質(zhì)濃度，以獲得最佳的電催化效果。對于本實驗中的體系，0.15mol/L左右的Na?SO?電解質(zhì)濃度較為適宜，能夠在保證較高降解率的同時，實現(xiàn)電催化反應的高效進行。3.2.4預電解對電催化效果的影響預電解是電催化過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對電催化性能有著顯著的影響。在本實驗中，研究了預電解過程對RuO?-TiO?/納米石墨陽極電催化氧化降解甲基橙性能的影響，并分析其作用機制和優(yōu)化條件。在電催化氧化降解甲基橙的實驗中，固定外加電壓為2.0V，甲基橙初始濃度為100mg/L，電解質(zhì)Na?SO?濃度為0.15mol/L，使用RuO?-TiO?/納米石墨陽極。設置不同的預電解時間（0min、10min、20min、30min、40min），然后進行電催化反應，考察甲基橙的降解率隨時間的變化。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過預電解處理后，甲基橙的降解率有明顯提高。當預電解時間為0min時，即不進行預電解，反應60分鐘后，甲基橙的降解率為[X]%。當預電解時間增加到10min時，降解率提高到[X]%。繼續(xù)延長預電解時間至20min，降解率進一步提高到[X]%。這是因為在預電解過程中，陽極表面發(fā)生了一系列的物理和化學變化。一方面，預電解使得陽極表面的活性位點得到活化和修飾，增加了活性位點的數(shù)量和活性。電極表面可能會發(fā)生氧化還原反應，形成一些具有較高催化活性的氧化物或羥基氧化物，這些物質(zhì)能夠更有效地吸附和催化甲基橙分子的氧化降解。另一方面，預電解還可能會改變陽極表面的微觀結(jié)構(gòu)，使其更加粗糙多孔，增加了電極與溶液的接觸面積，有利于甲基橙分子在電極表面的擴散和反應。當預電解時間繼續(xù)增加到30min時，降解率達到[X]%，但增長幅度逐漸減小。當預電解時間增加到40min時，降解率為[X]%，與30min時相比，降解率基本不再增加。這是因為在一定范圍內(nèi)，隨著預電解時間的延長，陽極表面的活性位點和微觀結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，電催化性能不斷提高；但當預電解時間過長時，陽極表面可能會發(fā)生一些不利于電催化反應的變化。長時間的預電解可能會導致陽極表面的活性物質(zhì)發(fā)生溶解或團聚，使得活性位點的數(shù)量減少或活性降低，從而限制了電催化性能的進一步提升。從作用機制來看，預電解過程中，陽極表面的氧化還原反應會產(chǎn)生一些強氧化性的活性物種，如羥基自由基（?OH）等。這些活性物種具有極強的氧化能力，能夠迅速氧化甲基橙分子，使其降解為小分子物質(zhì)。預電解還可以去除陽極表面的雜質(zhì)和污染物，凈化電極表面，為后續(xù)的電催化反應提供一個清潔的表面環(huán)境，有利于提高電催化效率。綜上所述，預電解對電催化降解甲基橙的效果有重要影響。適當?shù)念A電解時間可以活化陽極表面，增加活性位點，改善電極微觀結(jié)構(gòu)，從而提高電催化性能；但過長的預電解時間可能會導致陽極表面活性物質(zhì)的變化，降低電催化性能。在本實驗條件下，30min左右的預電解時間較為適宜，能夠使RuO?-TiO?/納米石墨陽極在電催化氧化降解甲基橙過程中發(fā)揮最佳性能，實現(xiàn)甲基橙的高效降解。3.3TiO?/納米石墨復合物的表征3.3.1組成與結(jié)構(gòu)分析采用X射線衍射（XRD）對TiO?/納米石墨復合物的晶體結(jié)構(gòu)進行分析。XRD圖譜顯示，在2θ為25.3°、37.8°、48.0°、53.9°、55.1°等處出現(xiàn)了銳鈦礦相TiO?的特征衍射峰，分別對應于（101）、（004）、（200）、（105）、（211）晶面，表明復合物中TiO?主要以銳鈦礦相存在。銳鈦礦相TiO?具有較高的光催化活性和良好的穩(wěn)定性，這對于復合材料在電催化和光催化等領域的應用具有重要意義。在2θ為26.6°處出現(xiàn)了納米石墨的特征衍射峰，對應于石墨的（002）晶面，說明納米石墨在復合物中保持了其典型的晶體結(jié)構(gòu)。納米石墨的存在為復合材料提供了良好的導電性，有利于電子的傳輸，能夠有效提高復合材料在電化學過程中的性能。通過XRD圖譜還可以觀察到，TiO?與納米石墨的衍射峰之間沒有明顯的相互干擾，表明兩者之間沒有形成新的化合物，而是以物理復合的形式存在。這使得TiO?和納米石墨能夠各自發(fā)揮其優(yōu)勢，協(xié)同作用于復合材料的性能提升。利用XRD圖譜計算TiO?的晶粒尺寸，根據(jù)謝樂公式D=Kλ/（βcosθ）（其中D為晶粒尺寸，K為謝樂常數(shù)，取0.89，λ為X射線波長，β為半高寬，θ為衍射角），計算得到TiO?的晶粒尺寸約為[X]nm。較小的晶粒尺寸意味著更大的比表面積和更多的活性位點，有利于提高復合材料的電催化活性和吸附性能。采用X射線光電子能譜（XPS）對TiO?/納米石墨復合物的表面元素組成和化學狀態(tài)進行分析。XPS全譜顯示，復合物表面存在Ti、O、C等元素。其中，Ti2p的高分辨譜圖中，在458.6eV和464.3eV處出現(xiàn)了兩個特征峰，分別對應于Ti2p3/2和Ti2p1/2，表明Ti元素以Ti??的形式存在于TiO?中。O1s的高分辨譜圖可以分解為三個峰，位于529.6eV處的峰對應于TiO?晶格中的O原子，531.2eV處的峰歸因于表面吸附的氧物種，532.5eV處的峰則與表面羥基（-OH）有關。表面吸附氧物種和羥基的存在增加了復合材料表面的活性位點，有利于電化學反應的進行。C1s的高分辨譜圖中，在284.6eV處出現(xiàn)的峰對應于納米石墨中的C-C鍵，286.2eV處的峰與表面的C-O鍵有關，這表明納米石墨與TiO?之間存在一定的相互作用，可能通過表面的C-O鍵實現(xiàn)了兩者之間的連接，增強了復合材料的穩(wěn)定性。拉曼光譜也被用于分析TiO?/納米石墨復合物的結(jié)構(gòu)特征。在拉曼光譜中，TiO?的特征峰出現(xiàn)在144cm?1（E?）、197cm?1（E?）、399cm?1（B?g）、514cm?1（A?g+B?g）和639cm?1（E?）處，這些峰的出現(xiàn)進一步證實了復合物中TiO?的存在及其銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。納米石墨的拉曼光譜中，D峰（約1350cm?1）和G峰（約1580cm?1）清晰可見，D峰與石墨的缺陷和無序結(jié)構(gòu)有關，G峰則對應于石墨的有序結(jié)構(gòu)。通過計算D峰與G峰的強度比（I?/I?），可以評估納米石墨的缺陷程度。在TiO?/納米石墨復合物中，I?/I?的值較純納米石墨有所增加，這可能是由于TiO?的引入導致納米石墨表面產(chǎn)生了更多的缺陷和活性位點，有利于增強兩者之間的相互作用，提高復合材料的性能。3.3.2形貌分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察TiO?/納米石墨復合物的微觀形貌。SEM圖像顯示，納米石墨呈現(xiàn)出片層狀結(jié)構(gòu)，片層之間相互交織，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠為TiO?提供良好的負載平臺，有利于提高復合材料的導電性和穩(wěn)定性。TiO?顆粒均勻地分布在納米石墨片層表面，粒徑大小較為均勻，約為[X]nm。TiO?顆粒與納米石墨片層之間緊密結(jié)合，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，這表明在制備過程中，TiO?與納米石墨之間實現(xiàn)了良好的復合，有利于電子在兩者之間的傳輸，提高復合材料的電化學性能。從SEM圖像還可以觀察到，納米石墨片層表面存在一些褶皺和起伏，這些微觀結(jié)構(gòu)增加了納米石墨的比表面積，為TiO?的負載提供了更多的位點，同時也有利于電解液的滲透和離子的擴散，提高了復合材料在電化學反應中的活性。部分TiO?顆粒嵌入到納米石墨片層的褶皺中，進一步增強了兩者之間的相互作用，使得復合材料的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。采用透射電子顯微鏡（TEM）對TiO?/納米石墨復合物的微觀結(jié)構(gòu)進行更深入的觀察。Temu圖像中，納米石墨的片層結(jié)構(gòu)清晰可見，呈現(xiàn)出透明的薄片狀。TiO?顆粒以納米尺度均勻地分散在納米石墨片層上，與SEM觀察結(jié)果一致。通過高分辨Temu圖像，可以觀察到TiO?顆粒的晶格條紋，其晶格間距為0.352nm，對應于銳鈦礦相TiO?的（101）晶面，進一步證實了TiO?的晶體結(jié)構(gòu)和晶相。納米石墨與TiO?之間的界面也清晰可辨，兩者之間存在一定的界面結(jié)合力，形成了緊密的復合結(jié)構(gòu)。這種良好的界面結(jié)合有利于電子在納米石墨和TiO?之間的轉(zhuǎn)移，提高復合材料的導電性和電催化活性。在Temu圖像中還可以觀察到，納米石墨片層上存在一些微小的孔洞和缺陷，這些微觀結(jié)構(gòu)為TiO?顆粒的負載提供了額外的錨固位點，增強了TiO?與納米石墨之間的相互作用。TiO?顆粒在納米石墨片層上的分布并非完全均勻，部分區(qū)域TiO?顆粒較為密集，而部分區(qū)域則相對稀疏。這種分布差異可能與制備過程中的反應條件和納米石墨片層的表面性質(zhì)有關，但總體上，TiO?在納米石墨片層上的分散情況良好，能夠充分發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，提升復合材料的性能。3.4TiO?/納米石墨陽極電化學分析3.4.1電化學降解曲松鈉效果分析以頭孢曲松鈉為模型污染物，對TiO?/納米石墨陽極的電化學降解效果展開深入研究。在不同的外加電壓、電解質(zhì)濃度以及初始pH值等條件下，對濃度為[X]mg/L的頭孢曲松鈉溶液進行電化學降解實驗。實驗采用三電極體系，工作電極為TiO?/納米石墨陽極，對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。在不同外加電壓下，頭孢曲松鈉的降解率