鎢鉬釩錳基氧化物微納材料的設(shè)計(jì)合成及其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、能源問題是當(dāng)前全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源。利用太陽能,半導(dǎo)體光催化劑不僅可以催化降解水中、空氣中有毒化合物,還可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能、化學(xué)能等。因此,光催化對(duì)解決能源短缺和環(huán)境污染等問題十分重要,而其核心問題則是高性能光催化材料的制備。此外,太陽能是一種間歇性能源,而化學(xué)電池是一種可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間相互轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)能裝置,彌補(bǔ)太陽能間歇性的不足。目前發(fā)展最為迅猛的新型鋰離子電池,其核心技術(shù)是高性能電極材

2、料的制備。
　　針對(duì)上述能源領(lǐng)域中存在的問題,本論文設(shè)計(jì)合成了一系列鎢鉬釩錳基新型氧化物材料,包括二元氧化鎢、鉬,三元鎢鉬氧化物固溶體、釩酸銅,四元鎢酸鉬酸鉍固溶體,以及尖晶石型錳酸鋰,對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征,考察了其在光催化以及鋰離子電池中的應(yīng)用。
　　在第三章中,以過氧聚鎢酸為前驅(qū)物,通過一步水熱反應(yīng)合成了WO3·0.33H2O六方狀單晶納米片。正交相WO3·0.33H2O為介穩(wěn)定相,經(jīng)過350和550℃焙燒處理

3、可分別轉(zhuǎn)化為六方相h-WO3納米片和單斜相m-WO3亞微米粒子。這些材料具有清潔的表面(沒有表面活性劑的包裹),可望具有良好的光催化活性。
　　在第四章中,以過氧鉬酸為前驅(qū)物,通過一步水熱反應(yīng)合成了α-MoO3單晶納米帶。作為鋰離子電池的正極材料,該α-MoO3單晶納米帶具有很大的放電容量(首次放電容量高達(dá)264.mAh/g)、優(yōu)異的倍率性能(5000mA/g的電流下仍具有176mAh/g的容量)和較好的循環(huán)性能(5000mAh/

4、g電流下循環(huán)50次后仍具有114mAh/g的容量)。Mo6+的多電子還原反應(yīng)為材料提供了巨大的放電容量,而材料的納米帶形貌保證了其倍率性能和循環(huán)性能。
　　在第五章中,以過氧聚鎢酸和過氧鉬酸為前驅(qū)物,通過水熱合成,制備了一系列不同鉬含量x的MoxW1-xO3·0.33H2O(x=0,0.25,0.50,0.75)固溶體材料。隨著固溶體材料中鉬含量x的增加,材料中起到色心作用的M5+(M=Mo,W)含量也逐漸增加,導(dǎo)致材料的能帶間隙

5、由3.25eV逐漸減小至2.77eV。
　　在第六章中,用水熱合成的方法制備了一系列化學(xué)組成的Bi2MoxW1-xO6(x=0,0.25,0.50,0.75,1.00)固溶體材料。與目前研究最多的Bi2WO6光催化劑相比較,Bi2MoxW1-xO6(x=0.25,0.50,0.75)的價(jià)帶頂?shù)玫搅溯^大的升高,因此它們的能帶間隙變窄,能吸收更多的可見光。以可見光(λ＞400nm)照射下亞甲基藍(lán)的光降解反應(yīng)為模型反應(yīng),研究了Bi2Mo

6、xW1-xO6固溶體材料的光催化活性,其中Bi2Mo0.25W0.75O6材料具有最佳的光催化活性。材料的層狀結(jié)構(gòu)、納米薄片形貌、能帶結(jié)構(gòu)、能帶間隙和鎢含量等均對(duì)其光催化活性有著重要的影響。該研究為設(shè)計(jì)合成能帶間隙可調(diào)、形貌可控的高效光催化劑提供了新思路。
　　在第七章中,以過氧釩酸為釩源,硝酸銅為銅源,用尿素原位地調(diào)節(jié)體系的pH值,通過簡(jiǎn)單的一步水熱反應(yīng),制備了由Cu4V2.15O9.38納米薄片和納米厚片穿插而成的納米/微米多

7、級(jí)結(jié)構(gòu)。以該Cu4V2.15O9.38多級(jí)結(jié)構(gòu)作為一次鋰離子電池的正極材料,它在1.5V以上顯示出高達(dá)471mAh/g的首次放電容量。該容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了商品化的Ag2V4O11正極材料(理論容量為315mAh/g)。因此,Cu4V2.15O9.38是一種非常有應(yīng)用前景的一次鋰離子電池正極材料,有望用于心率轉(zhuǎn)復(fù)除顫器等醫(yī)療器件。
　　在第八章中,我們首先用沉淀反應(yīng)制備了MnCO3微米球,通過400℃焙燒將其轉(zhuǎn)化為多孔MnO2微米球,再

8、通過浸漬鋰鹽和600℃高溫焙燒,得到了LiMn2O4空心微米球材料。高溫焙燒過程中介孔的融合以及“Kirkendall效應(yīng)”是微米球中心空腔產(chǎn)生的原因。通過對(duì)MnCO3前驅(qū)物的“可控分解”和“選擇性溶解”,可進(jìn)一步控制產(chǎn)物L(fēng)iMn2O4材料的墻壁厚度和空腔大小。擁有小空腔厚墻壁的LiMn2O4-A空心球比大空腔薄墻壁的LiMn2O4-B空心球具有更佳的電化學(xué)性能。在0.1和5C(1C=148mAh/g)電流下,LiMn2O4-A空心球分