钒基纳米材料的制备及其电化学性能

发布时间：2017-03-20 23:04

  本文关键词：钒基纳米材料的制备及其电化学性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钒(V)作为一种过渡金属,与氧结合具有丰富的价态,与氮结合形成高导电性的VN,在电化学应用领域内被广泛地研究。本课题通过氧化石墨烯和偏钒酸铵的水热处理,及随后的氢气、氨气气氛下的热处理过程,分别制备了两种钒基纳米材料(三氧化二钒-石墨烯三维凝胶和氮化钒-石墨烯三维凝胶),考察其形貌和结构特征,并探索储锂和氧还原反应催化的电化学性能。三氧化二钒-石墨烯三维凝胶和氮化钒-石墨烯三维凝胶具有与众不同的特性,包括均匀分散在石墨烯片层上的纳米晶粒、多孔的结构、和连续不断的石墨烯骨架。这些特性使其在储锂过程中能够有序控制体积变化,阻止他们循环过程中的团聚,使锂和电子朝着电极快速扩散,从而极大地提升了电化学活性。因此,钒基纳米材料展现出突出的电化学性能,在锂电存储过程中表现出高可逆容量,良好的高倍率性能和长循环寿命。其中,三氧化二钒-石墨烯三维凝胶在0.2 C电流倍率下,可逆容量为796 mAh g-1,50 C和100 C的倍率下,比容量仍保持在201mAh g-1和192 mAh g-1,5C倍率下1000次循环后容量无衰减,且高低温(0-75 ℃)性能良好。氮化钒-石墨烯三维凝胶样品在0.2 C的电流倍率下,可逆容量可以达到715 mAh g-1,5 C和20 C的倍率下,比容量分别保持在317 mAh g-1和201 mAh g-1,库伦效率近乎100%,800次循环后容量无衰减。氮化钒-石墨烯三维凝胶作为非贵金属基ORR电催化剂,具有丰富的VN量子点,高比表面积和多层次的孔结构,最大化暴露活性位并为ORR提供了丰富的电子运输通道,展现出高电催化活性,长耐受性,和对ORR的高选择性,与商业可用的Pt-C电极相当。这种简单的、易控制的合成方案能够进一步延展到其他3D多孔石墨烯凝胶上生长金属氧化物、氮化物纳米颗粒的制备并广泛地应用于电池、催化剂、传感器和其他电子设备。
【关键词】：三氧化二钒 氮化钒 纳米材料 锂离子电池 氧还原反应
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ427.26
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 前言14
• 1.2 过渡金属钒基氧化物的制备及其电化学性能14-21
• 1.2.1 五氧化二钒的制备及其电化学性能15-17
• 1.2.2 三氧化二钒的制备及其电化学性能17-19
• 1.2.3 二氧化钒的制备及其电化学性能19-21
• 1.3 过渡金属钒基氮化物的制备及其电化学性能21-24
• 1.3.1 过渡金属钒基氮化物的性质21
• 1.3.2 过渡金属钒基氮化物的制备方法21-22
• 1.3.3 过渡金属钒基氮化物的电化学性能22-24
• 1.4 选题的目的和意义24
• 1.5 本课题的主要研究内容24-26
• 第二章 实验与测试方法26-36
• 2.1 研究方案26
• 2.2 主要实验原料26-28
• 2.2.1 偏钒酸铵26
• 2.2.2 氨水26-27
• 2.2.3 鳞片石墨27
• 2.2.4 其它实验原料27
• 2.2.5 电池组装原材料27-28
• 2.3 实验仪器与设备28-29
• 2.3.1 材料制备设备28-29
• 2.3.2 材料表征设备29
• 2.4 实验方法29-31
• 2.4.1 氧化石墨稀(GO)的制备30
• 2.4.2 石墨烯-钒氧化物(G-VO_x)前驱体的制备30
• 2.4.3 三氧化二钒-石墨烯(V_2O_3-RGO)三维凝胶的样品制备30-31
• 2.4.4 石墨烯-氮化钒量子点(G-VNQD)三维凝胶的样品制备31
• 2.5 分析表征方法31-32
• 2.5.1 扫描电子显微镜(SEM)31
• 2.5.2 透射电子电镜(TEM)与高分辨透射电镜(HRTEM)31
• 2.5.3 X射线衍射仪(XRD)31
• 2.5.4 氮吸附测试仪31
• 2.5.5 X射线光电子能谱仪(XPS)31-32
• 2.5.6 有机元素分析仪32
• 2.6 储锂性能测试32-33
• 2.6.1 电池组装32
• 2.6.2 恒流充放电测试32
• 2.6.3 交流阻抗(AC)测试32-33
• 2.7 氧还原反应(ORR)催化性能测试33-36
• 2.7.1 作电极的制备33-34
• 2.7.2 循环伏安(CV)测试34
• 2.7.3 旋转圆环圆盘电极(RRDE)测试34-35
• 2.7.4 稳定性测试35-36
• 第三章 三氧化二钒-石墨烯三维凝胶的制备及其储锂性能36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 三氧化二钒-石墨烯三维凝胶的制备37-38
• 3.3 三氧化二钒-石墨烯三维凝胶的形貌和结构38-42
• 3.4 三氧化二钒-石墨烯三维凝胶的形成机理42-43
• 3.5 三氧化二钒-石墨烯三维凝胶的储锂性能研究43-45
• 3.6 小结45-46
• 第四章 氮化钒-石量烯三维凝胶的制备及其储锂性能46-60
• 4.1 引言46-47
• 4.2 氮化钒-石墨烯三维凝胶的制备47-48
• 4.3 氮化钒-石墨烯三维凝胶的形貌和结构48-54
• 4.4 氮化钒-石墨烯三维凝胶的形成机理54-55
• 4.5 氮化钒-石墨烯三维凝胶的储锂性能研究55-58
• 4.6 小结58-60
• 第五章 氮化钒-石墨烯三维凝胶的氧还原反应(ORR)催化性能60-70
• 5.1 引言60-61
• 5.2 氮化钒-石墨烯三维凝胶的形貌和结构分析61-62
• 5.3 氮化钒-石墨烯三维凝胶的ORR催化性能62-69
• 5.3.1 氮化钒-石墨烯三维凝胶的催化活性和耐甲醇性能63-64
• 5.3.2 氮化钒-石墨烯三维凝胶的电催化性能评估64-68
• 5.3.3 氮化钒-石墨烯三维凝胶的稳定性68-69
• 5.4 小结69-70
• 第六章 结论70-72
• 参考文献72-82
• 致谢82-84
• 研究成果及发表的学术论文84-86
• 作者和导师简介86-88
• 附件88-89

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  本文关键词：钒基纳米材料的制备及其电化学性能，，由笔耕文化传播整理发布。

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