過渡金屬氧化物納米電極材料及性能研究.pdf

1、高能化學(xué)電源如鋰離子二次電池和燃料電池，由于其能量密度高、環(huán)境友好和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)而成為目前新能源材料領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。作為高能化學(xué)電源的核心部件，電極材料是決定電池的輸出功率、電池效率、成本及應(yīng)用前景的重要因素之一，因此，電極材料的相關(guān)研究是提高高能化學(xué)電源性能的關(guān)鍵。另一方面，納米材料所具有的特殊結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的一系列獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，使得其應(yīng)用已涉及催化、生物傳感器、環(huán)境檢測、醫(yī)藥、生物技術(shù)等領(lǐng)域。納米電極材料是高能化學(xué)

2、電源和納米技術(shù)快速發(fā)展的交叉領(lǐng)域，其合成、表征與性能研究具有重要意義。本論文開展了低維功能電極材料，如過渡金屬復(fù)合氧化物(LiCoO2，LiNi0.8Co0.2O2，LiMn2O4)納米管、過渡金屬氧化物V2O5納米線以及WO3納米方晶的合成、表征及其應(yīng)用方面的基礎(chǔ)研究。在探索低維功能材料的維度和形貌控制方面，主要采用了氧化鋁(AAO)模板法和水熱/溶劑熱合成法。主要研究內(nèi)容包括： (1)用氧化鋁(AAO)模板法成功制備了LiC

3、oO2、摻雜化合物L(fēng)iNi0.8Co0.2O2，和尖晶石相LiMn2O4納米管，并對(duì)其作為鋰離子正極材料的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明所合成的納米管的初始放電容量分別為185、205和138mAhg-1，與相應(yīng)文獻(xiàn)報(bào)道的納米顆粒(132、182和117mAhg-1)相比，其可逆脫嵌鋰的容量有較大的提高；其電化學(xué)性能的提升可能源于納米管結(jié)構(gòu)所特有的高的比表面積、相對(duì)較多的鋰離子活性嵌入點(diǎn)和相對(duì)比較短的鋰離子固態(tài)擴(kuò)散路徑。(2)采用商業(yè)V

4、2O5粉體做前驅(qū)體，在表面活性劑的作用下，通過水熱法合成了H2V3O8納米線，進(jìn)一步的熱處理得到了形貌相近的V2O5的單晶納米線。該方法可實(shí)現(xiàn)V2O5納米線的大規(guī)模制備。而V2O5納米線的電化學(xué)性能測試表明，其初始放電容量(351mAhg-1)和循環(huán)性能兩方面均優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的一維V2O5納米材料。 (3)除了傳統(tǒng)的電極材料，我們選擇了比表面積很大的多孔材料MOF-177作為研究對(duì)象。參照文獻(xiàn)并調(diào)整制備條件，用溶劑熱法合成了不同形

5、貌的MOF-177；在此基礎(chǔ)上，以所合成的MOF-177微米方晶為例考察了其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，其第一周的放電容量約為420mAhg-1，但第二周的容量衰減較大；進(jìn)一步通過TEM和XPS對(duì)其容量衰減的原因作了分析，發(fā)現(xiàn)MOF-177在充放電過程中其結(jié)構(gòu)發(fā)生的不可逆塌陷是造成其第二周循環(huán)容量銳減的主要原因。 (4)除了鋰離子電池，低溫燃料電池(包括直接甲醇燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池)也是能源材料領(lǐng)域的一

6、個(gè)重要研究課題，這主要是因?yàn)槠漭^高的能量密度及其在電動(dòng)車上潛在的應(yīng)用價(jià)值。其中，直接甲醇燃料電池由于特別適宜于作為各種用途的可移動(dòng)動(dòng)力源而成為20世紀(jì)90年代以來研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。一個(gè)具挑戰(zhàn)性的核心問題是發(fā)展高效能的陽極電催化劑。根據(jù)文獻(xiàn)，三氧化鎢通過“氫溢出”效應(yīng)，對(duì)于鉑電極的甲醇催化氧化有協(xié)同作用。從這個(gè)角度出發(fā)，我們用水熱法合成了三氧化鎢納米方晶，然后用化學(xué)鍍?cè)谄浔砻婢鶆虺练e了2-3nm的鉑納米顆粒，并進(jìn)一步對(duì)WO3-Pt復(fù)合電極