金属钒氧化物纳米材料的简便制备及其光/电性能研究

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纳米材料作为新兴科技,近年来一直备受研究者们关注。金属钒氧化物纳米材料作为纳米材料的一员,各方面都有优异的性能:在光催化方面表现良好,处理污染性能优异;在电化学检测方面灵敏度高,能够胜任一些检测工作;在锂离子电池正、负极的应用上有的较大的比容量和循环稳定性。随着金属钒氧化物纳米材料的大力发展与应用,它们有望接替一些传统材料,成为我们日常生活的一部分。金属钒氧化物与其他传统型锂离子电池的正极材料相比,具有资源丰富、对环境无污染、比容量大等优势,有望替换传统型正极材料而成为新一代锂离子电池的正极材料。金属钒氧化物的光催化性能也极其优异,对各种有机染剂催化效率极高。本文通过简便绿色的方法,成功制备出了微纳米尺度的金属钒氧化物纳米材料:Mn(VO32纳米花,Fe V3O8纳米棒。此外,通过使用X-射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、N2吸脱附等温仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等测试方法对制备出的金属钒氧化物纳米材料的物相结构和形貌进行表征。本论文通过将Mn(VO32纳米花材料与聚吡咯(PPy)复合,并将得到的复合材料作为正极材料组装成为纽扣形锂离子电池,通过电化学工作站和蓝电系统对其电化学性能进行了测试;通过将FeV3O8纳米棒作为催化剂,在双氧水协助下利用氙灯照射,催化有机染料罗丹明B(Rhodamine B),并通过紫外-可见分光光度计测试其光催化性能。与此同时,通过对反应条件的控制,探索了Mn(VO32纳米花和FeV3O8纳米棒的形貌形成最佳条件和生长机理。本论文主要研究内容如下:(1)利用NH4VO3和Mn Cl2·2H2O作为初始反应物(无需预处理),在反应溶剂为醇水混合物(乙二醇:水=1:1),温度为120℃的情况下,通过溶剂热法合成了前驱体,并煅烧脱水,成功制备出了形状均一的Mn(VO32纳米花材料。Mn(VO32纳米材料的形貌是由外廓清楚、统一尺寸的纳米花组成,这些纳米花的直径为5-10微米,纳米花的花瓣大小为几十纳米厚的薄片;花瓣中间存在很多缝隙,比表面积相对较大。我们通过对反应时间、反应物阴离子等参数的调控,探究了Mn(VO32纳米花的生长条件,并为其它钒系化合物的制备提供参考。我们将Mn(VO32与吡咯复合,形成了Mn(VO32@PPy复合材料,利用电化学工作站和蓝电系统对Mn(VO32)@PPy纳米花进行电化学性能测试研究,得出在0.1 A g-1的电流密度下电池容量为102.6 mAh g-1。此外,它们在1.5-4.5 V电压下的电流密度为1 A g-1时具有75.3 mAh g-1的容量,而在100次循环后其容量接近60 mAh g-1。这些实验结果表明,Mn(VO32@PPy纳米花复合材料可用作锂离子电池的正极。(2)以NH4VO3、C2H6O6和Fe Cl3为初始反应物,通过CH3COOH调节p H,在180℃下水热24 h,成功制备出FeV3O8纳米棒。其中,该FeV3O8纳米棒的长在1微米左右,宽在80-150 nm之间,形貌大小均匀。通过改变反应物阴离子等参数的探究其形成的最佳条件。将FeV3O8纳米棒作为催化剂,在H2O2的协同作用下光催化罗丹B,发现其催化性能优异,在氙灯的照射下,25 min内催化降解效果可以达到98.1%。因此FeV3O8纳米棒有望作为新型催化剂光降解有机污染物。
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