钴钼氧化物在能量存储及转化领域的应用前景及面临的问题

钴钼氧化物在能量存储及转化领域的应用前景及面临的问题

概括：

钴钼氧化物是一种二元过渡金属氧化物，由于其丰富的自然储量和活泼的化学性质，在储能与转换领域有着广阔的应用前景。在储能领域，钴钼氧化物是一种具有高理论容量的锂离子电池材料，但由于其在使用过程中体积膨胀率大，容易破坏电极结构，从而在宏观上表现出粉化现象。除了作为锂离子电池材料外，在能源转换领域，钴钼氧化物兼具钴基氧化物的高催化活性和钼基氧化物的高导电性的特点，比单片过渡金属氧化物更适合作为电催化水分解的催化材料。但钴钼氧化物作为催化剂使用时，会面临催化活性低、活性位点少、固有电导率低、长期充放电过程中结构粗化严重等问题。 针对钴钼氧化物在上述领域应用面临的问题，本论文对钴钼氧化物进行了恰当的微/纳结构设计，同时在此结构设计的基础上与其他物质形成异质结构，获得协同增强效应。主要研究内容分为以下三部分：（1）碳包覆、硫修饰钴钼氧化物作为高比容量锂离子电池负极材料锂离子电池是重要的储能装置，首先将钴钼氧化物与聚多巴胺复合形成前驱体，再将前驱体进行碳化、硫化，最终得到硫修饰钴钼氧化物与C层的异质结构电极材料（/CS）。C层作为良好的导电网络可以促进电荷转移，同时还可以作为刚性的支撑结构，保证材料的稳定性。

硫的表面改性不仅在表面产生了大量超薄MoS2纳米片，而且还提供了一定的电解面积，有利于储锂。得益于多种组分之间的协同作用，得到的硫修饰/CS电极是一种高效的大容量锂离子电池负极材料。此外，在循环过程中，电极的容量会得到进一步的提高，500次循环后电极的容量保持率仍达99.7%。该工作表明碳包覆和硫修饰是优化钴钼氧化物结构的有效手段，同时也揭示了通过微结构重构形成更多的活性位点，从而提高容量。（2）钴钼氧化物/还原氧化石墨烯/Ag协同增强氧析出反应（OER）的催化稳定性，电催化水分解是一种高效的能源转化方法。 为了提高钴钼氧化物在全水分解半反应OER过程中的催化性能，论文合成了Ag纳米粒子修饰的花状纳米片与还原氧化石墨烯（rGO）异质结构（/rGO@Ag）。外层的rGO可以加速电子传递速率，同时保证内部纳米片的结构完整性。Ag纳米粒子均匀分布在以rGO为辅助相的杂化结构表面，使得材料具有丰富的多相界面，可以提供更多的活性位点，显著提高催化活性。通过添加rGO和调整Ag的含量，优化后的/rGO@Ag催化剂中多相组分之间产生了协同增强效应，使得其在-2电流下的过电位仅为209mV，同时还具有优异的循环耐久性。

此外，将两个相同的/rGO@Ag电极配对用于分解水，得到的器件表现出优异的循环稳定性，工作电位从2小时到12小时仅上升了4mV。以上结果表明该异质结构具有快速的反应动力学和稳定的电催化能力。（3）在钴钼氧化物/Cu异质结构中引入氧空位，降低OER的初始过电位。氧空位可以改变材料表面的电子结构，从而提高OER性能。本文通过热处理和还原的方法在钴钼氧化物表面引入大量氧空位，同时选取Cu纳米颗粒作为辅助相和还原剂，通过控制温度至还原临界条件，合成了具有开放结构、高电导率和高氧空位浓度的钴钼氧化物基异质结构（/rGO@Cu）。 与商业RuO2和其他同类OER催化剂相比，当电流密度达到-2时，该催化剂的初始过电位很低，仅为158mV。/rGO@Cu的高催化活性主要得益于大量异质界面提供的高浓度的活性位和充足的氧空位对电子结构的调控作用。

展开 