過渡金屬氧化物納米電極材料及性能研究.pdf

1、高能化學電源如鋰離子二次電池和燃料電池，由于其能量密度高、環境友好和應用廣泛等特點而成為目前新能源材料領域研究和開發的熱點。作為高能化學電源的核心部件，電極材料是決定電池的輸出功率、電池效率、成本及應用前景的重要因素之一，因此，電極材料的相關研究是提高高能化學電源性能的關鍵。另一方面，納米材料所具有的特殊結構以及由此產生的一系列獨特的物理、化學性質，使得其應用已涉及催化、生物傳感器、環境檢測、醫藥、生物技術等領域。納米電極材料是高能化學

2、電源和納米技術快速發展的交叉領域，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、表征及其應用方面的基礎研究。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LiNi0.8Co0.2O2，和尖晶石相LiMn2O4納米管，并對其作為鋰離子正極材料的電化學行為進行了研究。結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，與相應文獻報道的納米顆粒(132、182和117mAhg-1)相比，其可逆脫嵌鋰的容量有較大的提高；其電化學性能的提升可能源于納米管結構所特有的高的比表面積、相對較多的鋰離子活性嵌入點和相對比較短的鋰離子固態擴散路徑。(2)采用商業V

4、2O5粉體做前驅體，在表面活性劑的作用下，通過水熱法合成了H2V3O8納米線，進一步的熱處理得到了形貌相近的V2O5的單晶納米線。該方法可實現V2O5納米線的大規模制備。而V2O5納米線的電化學性能測試表明，其初始放電容量(351mAhg-1)和循環性能兩方面均優于文獻報道的一維V2O5納米材料。 (3)除了傳統的電極材料，我們選擇了比表面積很大的多孔材料MOF-177作為研究對象。參照文獻并調整制備條件，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極材料的電化學性能。結果表明，其第一周的放電容量約為420mAhg-1，但第二周的容量衰減較大；進一步通過TEM和XPS對其容量衰減的原因作了分析，發現MOF-177在充放電過程中其結構發生的不可逆塌陷是造成其第二周循環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子交換膜燃料電池)也是能源材料領域的一

6、個重要研究課題，這主要是因為其較高的能量密度及其在電動車上潛在的應用價值。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動力源而成為20世紀90年代以來研究與開發的熱點。一個具挑戰性的核心問題是發展高效能的陽極電催化劑。根據文獻，三氧化鎢通過“氫溢出”效應，對于鉑電極的甲醇催化氧化有協同作用。從這個角度出發，我們用水熱法合成了三氧化鎢納米方晶，然后用化學鍍在其表面均勻沉積了2-3nm的鉑納米顆粒，并進一步對WO3-Pt復合電極