量子点镶嵌V2O5多孔纳米结构可控制备及其Li电池、光催化性能研究

V2O5 materials usually exhibit relatively low conductivity and low electrochemical kinetics, which remain as major obstacles for their application in Li-ion batteries. In this project, one-step CVD synthesis, two-step catalytic growth and electrostatic deposition are used to realize controllable synthesis of V2O5 porous nanostructures with wide band-gap semiconductor oxides quantum dots embedded in them. Moreover, the full-spectrum photocatalysis from ultraviolet to visible range can be realized through combining the V2O5 porous materials with wide band-gap oxides, which is important for the rise of photocatalystic efficiency using natural light as a light source. Experimentally, through controllable synthesis and structural design, the influence of various factors, such as morphology, structure, quantum dots size, fraction of embedded quantum dots, on the Li-ion batteries performances and photocatalystic properties will be studied in detail. Theoretically, through calculation, the growth mechanism, the electrochemical reaction mechanism, the electrochemical kinetic process as well as the electronic structure of the material, the formation of defect states and the optical absorption spectra under different wavelengths are to be studied. The relationship between the microstructure of the material, the performance of photocatalysis process and Li-ion battery as well as the electronic structures of the material will also be clarified. Efforts are devoted to searching appropriate growth and structural parameters to obtain excellent Li-ion battery profermance and realize full-spectrum photocatalysis.

本项目拟通过一步合成、二次催化生长和二次静电沉积等多种方法，实现宽禁带半导体氧化物量子点镶嵌的V2O5多孔纳米结构的可控制备，以解决低电导率、低Li+迁移率这两大限制V2O5锂电池材料进入实际应用的关键问题。V2O5与宽禁带氧化物的复合材料能够实现从紫外到可见的全光谱光催化，以达到用自然光进行光催化的目的。通过材料的可控制备和结构设计、全面的电化学和光催化性能测试，研究材料形貌结构、量子点尺寸、嵌入比例等对锂电池和光催化性能的影响。通过理论计算，研究材料的成核、生长机理、电化学反应的动力学过程和反应机制、材料电子结构、缺陷态的形成以及不同波长的光吸收谱等，研究材料微结构、性能、电子结构间的相互依存关系，寻找能够实现优异锂电池和全光谱光催化性能的最佳材料结构参数和生长条件。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发表了SCI论文37篇，申请获授权中国发明专利4项。培养出站博士后1名，毕业博士研究生3名，毕业硕士研究生3名。.通过水热法制备出了三种不同形貌的单晶V2O5纳米结构：纳米线、纳米杨梅和纳米花。循环伏安和场发射测试实验结果表明，V2O5纳米花有很好的电极容量保持性和最大的锂离子扩散系数，是一种很有潜力的锂电池材料。V2O5纳米杨梅具有出色的场发射性能，具有较低的开启电场、阈值电压和较高的场发射因子。.利用改进的化学气相沉积法，通过控制实验条件、材料和优化衬底选择，在相对较低的温度下实现了多孔壁纳米管，分级纳米结构和纳米棒的V2O5纳米结构制备，并在此基础上研究了形貌和比表面积的变化对V2O5纳米结构电化学性能的影响。以这三种形貌的纳米材料作为锂电池阴极，研究其循安伏安特性曲线，实验结果表明，V2O5多孔壁纳米管具有较好的循环稳定性、最大的存储容量和和较快的充放电速度。.以ZnO纳米棒为模板，通过气相法包覆V2O5前驱体，Au纳米颗粒修饰，热氧化等步骤成功制备了具有表面等离子共振效应的纳米金修饰的V2O5@ZnO核壳纳米结构。与纯ZnO和V2O5@ZnO样品相比，其可见光波段的吸收率大为增强。作为光催化剂降解亚甲基蓝，Au-V2O5@ZnO展现了很强的光催化活性，其降解速率是纯ZnO降解速率的7倍，是V2O5@ZnO降解速率的3倍。光催化机制的分析显示，由于可见光吸收的增强，表面等离子体共振效应和高效的界面电荷分离效率，Au-V2O5@ZnO样品光催化效率得到大幅度提升，而V2O5的包覆和Au纳米颗粒的修饰则起了至关重要的作用。.MoS2作为锂电池负极纳米材料在锂电池充放电过程中可以很好地存储和释放锂离子，并具有很高的比电容量。我们制备了MoS2空心微米球/实心纳米球复合结构外层包覆一层碳壳用作锂电池负极材料；充放电循环实验结果表明，对于此MoS2纳米复合结构充放电循环寿命长、电池活性稳健。组装的锂电池可以点燃60 mW的LED小灯泡，证实该负极材料具有实际应用价值。另外，TiO2纳米材料做为锂电池电极材料在充放电循环过程中不易发生自聚合并具有很长的循环寿命。我们将层状MoS2纳米材料嵌入到TiO2微米球中，设计出了一种三维多孔烟花状纳米复合材料做为锂电池负极材料。实验结果显示该纳米复合材料具有极高的存储电能力和极好的循环性能。