多孔/空心金属氧化物纳米结构的制备及其储锂性能研究

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多孔/空心金属氧化物纳米结构具有许多独特的性质,近年来得到了科研工作者的极大关注。多孔/空心金属氧化物纳米结构作为锂离子电池负极材料,有利于锂离子的嵌入和脱出,同时多孔/空心结构一般都具有较大的比表面积以及疏水性的表面,这些都将改进材料的储锂性能。本论文利用热分解配位聚合物(CP)前躯体的方法合成多孔/空心氧化物纳米结构,包括:复合纳米氧化物SnO2-Fe2O3,CoWO4-Co3O4,掺杂纳米氧化物Sn1-xFexO2,双金属纳米氧化物Fe0.8Mn1.2O3,运用XRD,SEM,TEM,XPS等手段对合成产物进行了系统的表征,研究了材料作为锂离子电池负极的储锂性能。具体如下:  1.通过温和的溶剂热方法合成立方块形貌的CP前躯体Sn3[Fe(CN)6]4,将其进行煅烧得到多孔纳米复合物SnO2-Fe2O3。350℃煅烧后,煅烧产物SnO2-Fe2O3仍然保持前躯体的立方块形貌,所不同的是,立方块上出现许多孔洞。研究了该复合氧化物的储锂性能,在电流密度200 mA g-1时,SnO2-Fe2O3的首次比容量高达1020.2 mA h g-1,50次循环后容量仍然维持在567.5 mA h g-1,这比文献上报道的SnO2类材料的性能都要好。电化学性能的提高主要是由于复合材料SnO2-Fe2O3较大的比表面积,合适的孔径大小,以及SnO2和Fe2O3之间的协同作用。  2.通过热分解CP前躯体的方法,合成出了多孔的分等级结构的Fe掺杂SnO2(Sn1-xFexO2)微米球。通过Sn2+和[Fe(CN)6]3-在水溶液中的共沉淀反应,可以得到花状的分等级结构的前躯体Snm[Fe(CN)6]n,该前躯体由纳米片组装而成,这个自组装的过程中不需要添加表面活性剂。煅烧花状的分等级的前躯体Snm[Fe(CN)6]n得到Sn1-xFexO2微米球,煅烧产物仍然保持前躯体的形貌,但是纳米片表面出现许多孔隙。将该材料作为锂离子电池负极材料,结果表明它具有优良的电化学性能。在200 mA g-1的电流密度下,材料首次充电比容量高达1281.3 mA h g-1,100圈循环之后容量仍然维持在600.5 mA h g-1。该材料储锂性能改进的原因是高度稳定的分等级的结构,多孔的纳米片单元,以及Fe的掺杂作用。  3.通过煅烧八面体结构的CP Mn3[Fe(CN)6]2,合成了均一的壳核,中空,分等级结构的Fe0.8Mn1.2O3。该方法中,关键因素是控制前躯体Mn3[Fe(CN)6]2形貌以及热分解的温度。此外,通过改变前躯体的静置时间和煅烧温度,可以合成出具有不同内部结构的立方块形貌的纳米氧化物。测试壳核,中空,分等级八面体结构的Fe0.8Mn1.2O3的储锂性能,测试结果表明,在电流密度200 mA g-1时,它们的首次充电容量高达1000.7,902.7和986.5 mA h g-1,50圈循环后,容量仍然可以维持在750.5,969.2和961.4 mA hg-1。  4.通过热分解CP前躯体的方法成功合成了八面体形的多孔 CoWO4-Co3O4复合物。首先通过将Co2+和[W(CN)8]4-在室温下反应得到八面体形的前躯体Co2[W(CN)8],反应不需要表面活性剂等有机添加剂;再通过煅烧前躯体Co2[W(CN)8]得到多孔八面体结构的CoWO4-Co3O4。将该材料应用到锂离子电池负极材料中,展现了较高的起始容量(983.6 mA h g-1),更值得注意的是,50圈循环之后,容量仍然可以维持在941.3 mAh g-1。
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