Tungsten封面文章：过氧化氢调控MoO3二维纳米片结构增强储锂性能

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摘要

三氧化钼（MoO₃）因其较高的理论比容量（1117 mAh·g^-1)、独特的层状结构以及低廉的成本，被认为是极具潜力的锂离子电池负极材料之一，尤其α-MoO₃作为热力学最稳定态，应用更加普遍。然而，MoO₃固有的低电导率、较差的热力学和动力学稳定性以及在Li⁺嵌入和转化反应期间存在的巨大体积变化等缺点，极大地限制了其电化学性能和在锂离子电池中的广泛使用。

为了解决这些问题，目前大部分研究主要集中于对MoO₃相和形貌的调控对锂离子储存性能的影响上，而对具有二维(2D)纳米片结构的α-MoO₃的设计、合成及其锂离子存储性能的探究尚未见报道。

近来，陕西科技大学 朱建锋教授团队与东华大学 罗维教授团队采用一步溶剂热法制备出形貌可控的2D MoO₃纳米片。通过调节双氧水的添加比例，三MoO₃的结构可以调控为球、裂开的球以及纳米片结构，这可归因于双氧水在高温下的刻蚀作用。其中具有二维纳米片结构的MoO₃展现出了高的可逆容量以及良好的长循环稳定性。该工作发表于英文期刊《Tungsten》上，标题为“Hydrogen peroxide enabled two-dimensional molybdenum trioxide nanosheet clusters for enhanced surface Li-ion storage”。

图文详情

图1展示了随着H₂O₂加入量的增加，MoO₃由可以观察到明显裂缝的球状向不同2D纳米片厚度的花状结构MoO₃的形成过程，样品的比表面积也在这个过程当中逐渐增加。

图1 不同H₂O₂加入量所合成MoO₃的SEM图像和氮吸附-脱附等温线

图2展示了不同H₂O₂加入量制备的MoO₃样品的电化学性能，M-1、M-2因为不稳定的结构电化学性能远逊与其他四个样品，而比表面积最为优异的M-6因为花瓣片层的破坏，虽然在初期有较高的容量，但是稳定性仍需进一步提升， M-5样品的在倍率充放电与长循环中都有较好的表现。

图2 不同H₂O₂加入量所合成MoO₃的电化学性能

图3展示了Li⁺通过层间通道扩散到材料中以进行插入和脱离，而材料中以花朵形状堆叠的纳米片确保材料具有更丰富的Li⁺存储位。示意图中的化学式表示在最初的锂插入和脱离过程中发生的电极反应，这是一类可逆反应，首先Li⁺嵌入MoO₃晶格中形成固溶体，随后转化为Li⁺和MoO₃。2D纳米片花瓣状MoO₃优异的锂离子储存能力和循环稳定性主要归功于MoO₃特殊的层间结构，花瓣状的形貌增大了材料与电解液的接触面积，有利于Li⁺的储存。

图3 MoO₃的储锂机制示意图

总结与展望

使用一步溶剂热法，构建了新型2D纳米片结构MoO₃，并系统研究了形貌的调控方法。得益于其独特的结构，2D MoO₃纳米片具有较好的储锂性能，展现出较大的可逆比容量(0.5A·g^-1时为756.1 mAh·g^-1)、良好的循环稳定性(在1A·g^-1的电流密度下循环600次后保持在214.7 mAh·g^-1)和高库仑效率(97.17%)。实验结果和理论计算均表明，该结构不仅能缩短Li⁺的传输路径，而且更有利于Li⁺的嵌入。该研究为制备高性能钼基电极材料提供了新的研究方向。

引用

Wei H, Yang HY, Zhang XQ, Zhu JF, Qiu PP, Luo W. Hydrogen peroxide enabled two-dimensional molybdenum trioxide nanosheetclusters for enhanced surface Li-ion storage. Tungsten.2021; 3(3): 338.

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00093-7

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：罗维。

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专刊介绍

作者简介

朱建锋

朱建锋，陕西科技大学材料科学与工程学院教授，西安交通大学博士学位。主要从事陶瓷材料绿色制备、新型储能与环境净化用功能复合材料等领域的教学与科研工作。工作成果在Electrochimica Acta，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology，Journal of Maerials Science & Technology等国际一流学术期刊均有收录，E-mail: [e-mail]。

邱鹏鹏

邱鹏鹏，东华大学材料科学与工程学院讲师，博士毕业于韩国高丽大学，后加入复旦大学先进材料实验室从事博士后研究，合作导师赵东元院士。主要从事多孔材料的控制合成，结构调控及其在储能、催化方面的应用研究。目前以第一或通讯作者在Account of chemical research, Nano letters, Advanced science, Advanced functional materials 等高水平期刊上发表论文20余篇。现主持上海市扬帆计划、自然科学基金、中科院无机功能材料与器件重点实验室开放基金等多个课题，E-mail: [e-mail]。

罗维

罗维，东华大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，获得国家自然科学优秀青年基金资助，入选上海市“曙光计划”、青年拔尖人才、上海市青年科技启明星等人才计划项目。在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表多篇研究论文，获教育部自然科学二等奖（第三完成人），兼任《Chinese Chemical Letters》青年编委，中国材料研究学会青年工作委员会理事。主要从事无机多孔材料、功能块体材料的控制合成与应用研究，E-mail: [e-mail]。

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