钼氮化物限域生长及电化学储锂性能研究

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钼氮化物是一种氮在紧密填充的金属结构中占据间隙位置的化合物。钼氮化物具有较高的理论比容量,但它们的实测容量远远低于各自的理论比容量。因此,如何充分利用钼氮化钼较高的理论比容量成为了当前的研究热点。研究表明:石墨烯片层堆积形成的层间纳米空间及石墨烯交联网络形成的纳米空间可以作为限域生长的模板以制备纳米材料。本研究采用不同的制备方法及与石墨烯复合制备了一系列钼氮化物电极材料,研究了其电化学性能及储锂机制。具体研究内容及结果如下:通过直流磁控溅射法制备了Mo2N薄膜电极。通过调节Ar与N2的比例(3:1、4:1、5:1),得到了不同形貌的薄膜电极(分别命名为Mo2N-3、Mo2N-4、Mo2N-5)。XRD结果显示所制备的Mo2N薄膜电极均具有面心立方结构。当气体比例为4:1时,制备的Mo2N薄膜电极厚度约为1.5μm,并且具有平均柱宽约为2-5 nm的纳米柱阵列结构。该结构赋予了Mo2N-4较好的储锂性能。通过程序控温法探索了不同气氛(N2和H2/N2混合气)对所制备的钼氮化物物相的影响。XRD测试结果表明:在纯N2氛围中处理得到的样品中除含有Mo2N外还含有部分MoO2,而在H2/N2混合气中退火处理得到的样品是纯相Mo2N。为进一步探究纯相Mo2N的储锂性能,比较了在H2/N2气氛中温度(600℃、700℃和800℃)对Mo2N晶型和电化学性能的影响。结果表明:在600℃和700℃下得到的样品是面心立方晶型的Mo2N(γ-Mo2N),而在800℃下得到的样品则是四方晶型的Mo2N(β-Mo2N);电化学测试结果表明,在700℃时制备的γ-Mo2N具有相对较好的倍率性能以及长寿命循环性能。在优化出最佳温度的基础上,以氧化石墨烯作为模板,通过调节氧化石墨烯的复合量(20%,30%,50%),制备出了Mo2N量子点与氮掺杂石墨的复合材料(Mo2N-QDs@Ngs)。在该过程中实现了对Mo2N的调控生长,使Mo2N从最初的块状形貌变成了量子点形貌,而Mo2N量子点均匀地分布在石墨烯片层表面。结果表明,石墨烯复合量为30%的Mo2N-QD@Ngs电极材料具有良好的电化学性能:在0.5 A g-1电流密度下经过100次循环后仍具有403 mAh g-1的可逆容量。由于在N2氛围中煅烧得到的样品中含有部分的MoO2,而MoO2具有较高的理论比容量。因此,可充分利用Mo2N与MoO2的优点进一步提高钼氮化物的储锂性能。在已确定氧化石墨烯最佳复合量的条件下,探究了N2氛围中不同温度对钼氧氮化物量子点与氮掺杂石墨烯复合电极材料(MON-QDs@Ngs)的电化学储锂性能的影响。电化学性能测试表明:在600℃下制备的MON-QDs@Ngs电极材料具有最佳的电化学性能,其在5 A g-1的电流密度下经过300次循环后仍具有约180 mAh g-1的可逆容量。
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