英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
无定型氧化钒支撑的分级多孔Fe3O4 /石墨烯纳米线作为高倍率锂离子电池负极
Qinyou An, Fan Lv, Qiuqi Liu, Chunhua Han, Kangning Zhao, Jinzhi Sheng, Qiulong Wei,Mengyu Yan, and Liqiang Mai
摘要：发展具有高能量密度和功率密度的电极材料是满足能源储存需求的关键。为了实现快速高效的离子/电子运输和在充电/放电期间的结构稳定性，本文通过简易的相分离过程理性地合成了由无定形氧化钒基质支撑的分级多孔Fe3O4 /石墨烯纳米线。多孔结构是直接由FeVO4·1.1H2O@石墨烯纳米线与结晶化的Fe3O4和无定型的氧化钒构筑而成，而不使用任何硬模板。分级多孔Fe3O4 / VOx /石墨烯纳米线表现出高的库仑效率和突出得可逆比容量（1146 mAh g-1）。即使在高电流密度5A g-1，多孔纳米线仍然保持了大约500 mAh g-1的可逆容量。此外，层状多孔Fe3O4/Fe3O4的Fe和Fe3O4之间的非晶化和转化反应，VOx /石墨烯纳米线也通过原位X射线衍射和X射线光电子光谱研究。我们的工作证明无定形氧化钒基质支持的分级多孔Fe3O4 /石墨烯纳米线是一种储能应用中最具吸引力的负极材料。
关键词：氧化铁，氧化钒，石墨烯，分级多孔纳米线，锂离子电池
在过去几十年里，环境污染和化石燃料的枯竭已经激起了人们努力开发具有高能量密度和功率密度的能源转换/存储系统动力。1,2其中在不同的能量转换/存储系统操作或研究中，锂离子电池（LIB）因为它们的能量密度高，使用寿命长而受到特别的关注。目前，作为商业化的LIB负极材料，石墨具有相对较低的理论放电容量（372 mAh g-1）。因此，开发利用不同的高容量负极材料例如合金，金属氧化物和金属硫化物是目前迫切的需要。3在高容量负极材料中，氧化铁由于它们的低成本，地球丰富的储量和易于合成等优点已经吸引了很多关注和广泛研究。然而，这些材料经常因为低的Li 扩散系数，差的容量保持率和在Li 嵌入/脱出过程中大的体积变化限制了它们替代石墨的作为LIBs阳极的能力。
纳米线的合理设计和合成已经展示了其在能源领域的各种应用。对于LIB，纳米线提供了有效的离子扩散通道以及连续的电子传递途径，这已经证明了在锂储存应用上的优越性。14-18然而，如何防止纳米线在Li 嵌入/脱出期间结构塌陷的问题仍然是迄今为止面临的严峻挑战。多孔结构不仅可以增加电极和电解质之间的接触面积，这有效地促进离子扩散动力学，21-24还在充电/放电过程中提供了更多的空间的体积变化，提高它们的循环性能。25-27因此，在纳米线材料中创造孔是提高电化学性能最有效的策略之一。4,28-30另外，锂储存过程包括离子扩散和电极材料中的电子传输。为了进一步实现高倍率性能，材料的电导率需要增强。因为石墨烯显示出优异的电性导电性，最近，各种石墨烯的混合纳米材料和活性材料已经被合成并用作锂离子电池的电极。31-33此外，石墨烯层有利于稳定原结构，因为它可以在循环过程中为氧化铁提供机械柔性来适应体积变化。34
本工作报道了通过无模板的水热法和随后的在还原气氛中热处理合成的无定形氧化钒支撑的分级多孔Fe3O4 /石墨烯纳米线（Fe3O4 / VOx / G-P NWs）。35将四氧化三铁/ 无定形氧化钒/石墨烯纳米线作为锂离子电池负极材料进行了相应测试。结果表明合成后的产物已经表现出来理想的电极材料的优点：高容量（1146 mAh g-1），优秀的倍率性能（5 A g-1）和循环稳定性。优异的电化学性能可以归因于独特的多孔混合纳米线结构。如图1所示，构建Fe3O4 / VOx / G-PNW不仅可以提供快速的Li 扩散通道和有效的电子传输通道，而且还具有优异的缓冲应力能力，导致了优异的锂存储性能。
图 1. 在Li 嵌入/脱出期间具有快速Li 扩散，有效电子传输和优异应力松弛的多孔纳米线复合材料的示意图。
为了确认在H2 / Ar气氛中退火处理后钒酸铁的相变，通过X射线衍射（XRD）测定了4个代表性样品的晶体结构（图2a）。退火之前，钒酸铁（FVO）和石墨烯修饰的铁钒酸盐（FVO @ G）的所有衍射峰可以对应于FeVO4·1.1H2O。36退火后，制备的无定形钒氧化物基体支撑的分级多孔Fe3O4纳米线（Fe3O4 / VOx-P NWs）和Fe3O4 / VOx / G-P NWs可以匹配到立方的Fe3O4，其中a = 8.384 Aring;（JCPDS：No. 01-089-0691），除了在Fe3O4 / VOx / G-P NWs的谱图中出现了26°的衍射峰（源自石墨烯层，表明存在石墨烯37），没有观察到任何钒氧化物的衍射峰。但是，电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）结果表明Fe和V的摩尔浓度比为约0.94:1（支撑信息表S1），证明了无定形氧化钒的存在。
图2. （a）FVO-NWs, FVO@G NWs, Fe3O4/VOx-P NWs, and Fe3O4/VOx/G-P NWs的XRD图谱；（b）FVO@G NWs的SEM图像；Fe3O4/VOx/G-P NWs的SEM图像（c, d）, EDS能谱(f) , TEM图像（g, h）, HRTEM图像（i, j）。
所制备产物的形貌和详细结构通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了进一步的研究。退火处理前，FVO @ G NWs的SEM图像如图2b和支持信息S1所示，观察到均匀的一维（1D）纳米线，直径约为100nm，长度约为2mu;m。退火后，其形貌结构基本上保持不变。 Fe3O4 / VOx / G-P NWs显示了与原始样品FVO @ G NWs相似的形貌（图2c）。然而，高倍放大的SEM图像（图2d）显示在Fe3O4 / VOx / G-P NWs表面上可以观察到多孔结构。类似的现象在FVO-NWs和Fe3O4 / VOx / P NWs上也可以观察到（支持信息图S2）。能谱图像（图2e，f）证实了Fe，V，O和C的均匀分布。为了进一步确认Fe3O4 / VOx / G-P NWs的内部架构和晶体结构，本文利用TEM和高分辨TEM（HRTEM）对其进行了表征。TEM图像表明Fe3O4 / VOx / G-P NWs是多孔结构（图2g，h），而FVO @ G NW观察不到孔结构（支持信息图S3）。Fe3O4 / VOx / G-P NWs的 HRTEM图像显示在FVO纳米线的边缘有大约3nm几个石墨烯层（图2i，j）。具有约0.253 nm的间距的晶格条纹对应于Fe3O4晶体的（311）面。此外，无定形的氧化钒在HRTEM中也可以清楚地观察到（图2j），FFT图像（支撑信息图S4）表明了氧化钒为无定型，而氧化铁是单晶的，与XRD结果一致。此外，结晶Fe3O4和无定形氧化钒纳米颗粒也可以在Fe3O4 / VOx-P NWs的TEM图像中观察到（支持信息图S5）。氮吸附解吸等温线 进一步表征了产物的多孔结构。BET比表面测量表明Fe3O4 / VOx / G-P NW表面积为35.9m 2 g-1，大于FVO@G NWs（25.0 m 2 g -1）（支持信息图S6）。Fe3O4 / VOx / G-P NWs的氮吸附解吸等温线（图3a）是具有H3滞后环的IV型曲线，可以对应于狭缝状孔。Barrettminus;Joyner- Halenda（BJH）孔径分布曲线（图3a的插图）显示Fe3O4 / VOx / G-P中的孔径在该区域分布为2-5 nm和20-40 nm。氧化石墨烯前驱体和Fe3O4 / VOx / G-P NWs的拉曼光谱如图2b所示。频带范围在1200-1460 cm-1和1510-1650 cm-1的分别对应于D带（Kpoint A1g对称的声子）和G带（E2g声子C sp2原子）。这个结果表明了复合材料中氧化石墨烯的存在。
图 3. （a）Fe3O4 / VOx / G-P NWs的氮气吸附脱附等温曲线和孔径分布图；（b）氧化石墨烯和Fe3O4 / VOx / G-P NWs的拉曼光谱图；（c, d） FVO@G NWs和Fe3O4 / VOx / G-P NWs中Fe的XPS图谱；（e, f） FVO@G NWs和Fe3O4 / VOx / G-P NWs中V的XPS图谱。
为了确定Fe3O4 / VOx / G-P纳米线的化学成分，本文对FVO @ G NWs和Fe3O4 / VOx / G-P NWs进行了X射线光电子能谱（XPS）测试来研究钒和铁的价态。位于结合能711.49和725.27 eV的两个单独的峰归因于Fe3 2p3/2和2p1/2（图3c）。同时，出现在约719 eV的强烈卫星峰可归因于Fe3 的特征峰。图3d中V 2p3/2的主峰（516.80 eV）可以匹配到到V5 。这些结合能的数值与以前报道的结果是一致的。39,40因此，元素的Fe和V在合成的FVO @ G NWs分别以Fe3 和V5 存在。但是，对于Fe3O4 / VOx / G-P NWs的XPS光谱图（图3e），Fe 2p3/2和Fe 2p1/2的峰可以分为两个峰。除了Fe3 的峰，一对强Fe 2p的峰出现在709.59 eV<!-- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
课题毕业论文、外文翻译、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
