氧化钼基纳米材料的制备及电化学性能研究

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目前,由于化石燃料大量消耗,导致全球能源问题严重,研究新型可替代能源成为迫在眉睫的问题。锂离子电池和超级电容器由于具有能量密度高、循环性能好、可逆容量高等优点,是目前研究较多的两种化学电源,也是以后大力发展的电动汽车和混合动力汽车、小型移动电子设备等领域的主要电源,因此得到了广泛关注和研究。  MoO2和MoO3由于具有特殊的结构、理论比容量高、容易制备等优点,一直是锂离子电池和超级电容器领域的重要电极材料。本论文从纳米材料角度出发,以MoO2和MoO3为研究对象,制备了不同形貌的MoO2和MoO3纳米材料及其复合材料,分别考察了其作为锂离子电池和超级电容器电极材料的电化学性能,为氧化钼基电极材料的发展进行了有益探索。主要研究内容如下:  (1)以三嵌段共聚物P123为分散剂,通过溶胶-凝胶法制备了分散度较好的α-MoO3纳米颗粒。通过FESEM、XRD、FTIR、XPS等对产物的形貌、结构、组成进行了表征。电化学测试表明,在电流密度为20mA·g-1时,首次放电容量高达1192mAh·g-1,超过了α-MoO3的理论容量。循环稳定性显示,随着循环次数的增加,不可逆容量逐渐减少。最后,利用放电曲线和放电微分曲线研究了锂离子在α-MoO3纳米颗粒中的脱嵌机理。  (2)以SBA-15为模板剂,在溶剂热提供的高温高压环境下,利用乙醇蒸汽还原合成了粒径均一的MoO2纳米棒。随后将得到的MoO2纳米棒与LiCl溶液进行二次水热,得到嵌锂的MoO2@Li纳米棒。XRD图谱显示嵌锂前后MoO2的晶体结构没有变化,说明嵌入Li离子不会影响MoO2的结晶度。充放电测试表明,在相同电流密度下,MoO2@Li表现出更优异的电化学性能,库伦效率和循环稳定性均优于未嵌锂的MoO2。  (3)通过超声法合成了一维MoO3纳米带,并利用原位化学氧化聚合法在MoO3纳米带表面包裹一层聚吡咯(PPy)薄膜,形成MoO3/PPy纳米复合材料。XRD图谱显示,PPy的存在不会对MoO3纳米带的晶型结构产生影响。电化学测试表明,MoO3/PPy纳米复合材料的比电容远远高于单一MoO3纳米带和单一PPy的容量。交流阻抗曲线显示,MoO3与PPy形成复合材料后,导电性大大提高,内阻明显减小。循环200周期后,容量依然保持90%以上,显示出了MoO3/PPy复合材料作为超级电容器电极材料的优势。  (4)通过两步电化学沉积方法在碳纤维布上合成了MoO2@Au@MnO2分级异质结构。在MoO2和MnO2薄膜之间进行喷金处理,提高了材料的离子扩散能力和电荷存储能力。交流阻抗曲线显示,喷金之后的MoO2@Au@MnO2比未喷金的MoO2@MnO2导电性明显提高,电荷转移电阻降低。电化学测试表明,MoO2@Au@MnO2分级结构显示出良好的倍率性能和循环稳定性。
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