超長氧化釩納米線的制備與表征

2014-01-06 吳建棟 上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室

  以V2O5和H2O2為原料,乙二胺為模板劑,采用溶膠凝膠法結合水熱法制備了含有模板劑的超長氧化釩納米線,利用傅里葉紅外光譜儀、拉曼光譜儀和X射線衍射儀分析了材料的結構特征。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對形貌進行了表征。采用不同溫度對樣品進行了熱處理,并綜合分析了熱處理溫度對材料形貌和結構的影響。從SEM測試結果可以看出,本文制備的V2O5納米線的最長可達40um。結果表明,通過300e熱處理即可成功去除有機模板劑,得到正交相V2O5納米線。最后,用藍電測試系統測試了V2O5納米線的電化學性能。

  由于尺寸效應和特殊的長徑比,一維納米材料在傳感器、催化劑、場效應晶體管、發光二極管和電極材料中表現出優越的性能和應用。其中一維氧化釩納米材料由于其價格低廉、加工工藝簡單、結構可控受到了廣泛的關注。實驗上大多采用水熱法制備一維釩氧化物納米材料。Byod等制備了一種鑲有Pd納米顆粒的VO2納米線,可以利用其金屬和絕緣體之間轉變的特性應用于高靈敏度H2探測器,他們發現,單根VO2納米線具有選擇性探測三種不同氣體(氧氣,氫氣和乙烯)的能力。陳文等以CTAB為模板劑,用水熱法制備了VO2(B)納米棒,其首次放電容量為247.6mAhg-1,并且,前30次的循環效率超過97.4%。王休等以V2O5為原料,NaHSO3作為還原劑,在260℃水熱反應8h得到VO2納米帶,并研究了其熱致相變性質,經過600e退火處理以后,其熱致相變溫度為68.7℃。吳廣明等利用溶膠凝膠和水熱的方法制備了高長徑比的氧化釩納米管,由于材料的層狀結構與良好的離子通道,作為鋰離子電池陰極材料,其首次容量可達300mAhg-1。Pan等以NH4VO3為原料,采用水熱法制備了長約10~80um的V2O5納米線。Zhou等以VOSO4#xH2O和KBrO3為原料,采用水熱法制備了直徑60~80nm,長度可達100um的氧化釩納米線。

  本文以V2O5為原料,以乙二胺為模板劑,結合溶膠凝膠法和水熱法制備了V2O5納米線,并利用掃描電子顯微鏡(SEM),傅里葉紅外光譜儀(FT-IR),拉曼光譜儀和X射線衍射(XRD)儀對樣品的形貌、結構和組成成分進行了表征和分析,并用藍電測試系統測試了V2O5納米線的電化學性能。

  1、實驗過程

  1.1、材料制備

  將1gV2O5粉末和60ml無水乙醇攪拌反應30min,制得橙紅色的氧化釩溶膠。然后將約1ml無水乙二胺加入到制備好的氧化釩溶膠中,繼續攪拌5min左右。產物倒入容量為100ml的聚四氟乙烯容器內,并加入一定量的去離子水,然后將其密封在不銹鋼高壓釜中,最后將高壓釜置于180℃的烘箱內,恒溫反應5天。自然冷卻到室溫后,將聚四氟乙烯(PVDF)容器中的反應產物取出,置于馬弗爐中進行100e干燥處理,標記為樣品A。100e處理以后的的樣品分成三份,利用馬弗爐分別進行200,300,400℃的熱處理,標記為樣品B、樣品C和樣品D。

  1.2、材料表征

  采用FT-IR和拉曼光譜儀對A、B、C和D四個樣品的結構組分進行了分析。用SEM對不同溫度熱處理的四個樣品的形貌進行了表征,分析了納米線的直徑和長度大小,用XRD對樣品A、樣品B、樣品C和樣品D的結構和晶相組成進行了分析。經過400℃處理的樣品,與導電炭黑和PVDF的質量比為7B2B1,加入一定量的1-甲基-2吡咯烷酮攪拌均勻,均勻涂在鋁箔上,經過120e真空干燥以后,裁成12mm的圓片作為正極,鋰片作為負極,Celgard2500PE/PP/PE三層復合膜作隔膜,1mol/L的LiPF6(ECBDEC=1B1)作為電解液,并用藍電(Land)測試了其恒流充放電性能,充放電區間為4~2V,放電電流為50mAg-1。

  4、結論

  通過溶膠凝膠法結合水熱法制備了長約40um,直徑約為500nm~1um的氧化釩納米線。采用400℃溫度熱處理,使料進一步結晶,最終得到了正交相的V2O5納米線。采用傅里葉紅外光譜儀分析了納米線的結構組成,結果表明,經過300℃熱處理以后,納米線中基本不含有機模板劑成分。XRD和拉曼光譜的測試結果表明,300℃和400℃熱處理的樣品都屬于正交相V2O5。V2O5納米線的電化學性能測試結果表明,在4~2V的充放電區間內,其首次放電容量為157mAhg-1。循環性測試表明,V2O5納米線作為陰極材料的循環穩定性較差,進一步的研究將側重于提高其循環穩定性。