水熱法合成氧化鎢及其電化學(xué)性能

白明華, 劉 銳, 于 湛, 王 瑩, 付雅君, 趙 震

(1. 沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽 110034; 2. 沈陽師范大學(xué) 能源與環(huán)境催化研究所, 沈陽 110034;3. 中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249)

0 引 言

超級(jí)電容器作為一種新型綠色儲(chǔ)能元件,受到國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。現(xiàn)階段的電極材料主要分為以下3類:1)碳材料[1];2)金屬氧化物材料[2-3];3)導(dǎo)電聚合物材料[4]。由于Co2O3、V2O5、MoO3、MnO2、WO3等金屬氧化物擁有良好的電化學(xué)性能,適合用作超級(jí)電容器的電極材料,也因此成為研究熱點(diǎn)[5-6]。其中過渡金屬氧化物WO3因具有價(jià)格低廉、較高的理論比電容、良好的導(dǎo)電性、多種價(jià)態(tài)以及對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。而且三維結(jié)構(gòu)納米WO3具有較大的比表面積,利于電解液的存儲(chǔ),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,同時(shí)具有較好的電化學(xué)性能,被認(rèn)為是一種很有潛力的超級(jí)電容器電極材料[7]。目前制備納米WO3的方法主要有磁控濺射法、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法、陽極電鍍法、高真空熱蒸鍍法、溶膠-凝膠法和水熱法等[8-9],其中水熱合成是一種簡單有效的制備方法。本文以H2WO4為原料,CH3COONH4為輔助劑,加入一定量的H2O2,利用水熱法合成納米WO3。利用XRD和SEM對(duì)其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征,并通過循環(huán)伏安(CV)和恒電流充放電(CP)等檢測(cè)方法探究其電化學(xué)活性及儲(chǔ)存電容的能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

鎢酸、鎢酸鈉、乙酸銨、硫酸、雙氧水均為分析純,購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,碳布購于上海楚兮實(shí)業(yè)有限公司,實(shí)驗(yàn)所用水為自制蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 碳布預(yù)處理

1.2.2 WO3電極的制備

1.2.3 WO3電極表征

1) 在Ultima Ⅳ X-射線衍射儀上測(cè)定樣品的X-射線衍射光譜(XRD);

2) 在日本日立公司S4800電子掃描顯微鏡上觀察樣品的微觀形貌。

1.2.4 電化學(xué)性能表征

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均在CHI660e多通道電化學(xué)系統(tǒng)上進(jìn)行,采用三電極體系,碳布(1 cm×1 cm)為工作電極,鉑電極(1.5 cm×1.5 cm)為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。文中所指電位均相對(duì)SCE,實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

可根據(jù)公式(1)計(jì)算比電容Cs(單位:F/cm2)。

Cs=I×t/U

(1)

其中:I為充放電電流密度(mA/cm2);t為放電時(shí)間(s);U為充放電電位窗(V)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CC-WO3和CC-W的電化學(xué)性能及形貌分析

圖1 W 和WO3的(a)CV曲線和(b)CP曲線Fig.1 (a) CV curves and (b) CP curves of W and WO3

圖2 (a) CC-W和(b)CC-WO3的SEM圖Fig.2 SEM images of (a) W and (b) WO3

圖3 W電極的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of WO3

2.3 CH3COONH4用量對(duì)WO3電極影響

圖4 (a) W、W、W和(b) W、W、W的CP曲線Fig.4 CV curves and (b) CP curves of W, W and W

圖5 (a) W、(b) W和(c) W的SEM圖Fig.5 SEM images:(a) W; (b) W; (c) W

2.4 攪拌時(shí)間對(duì)WO3電極影響

H2WO4(s)+2H2O2=H4[WO3(O2)2](aq)+H2O

(2)

圖6 W、W和W的(a)CV曲線和CP曲線Fig.6 (a) CV curves and (b) CP curves of W, W and W

圖7 (a) W、(b) W和(c) W的SEM圖Fig.7 (a) W SEM images, (b) W SEM images and (c) W SEM images

2.5 H2O2用量對(duì)WO3電極影響

圖9(b)中塊狀納米WO3開始逐漸變小,并向一維方向生長,形成有序垂直于CC-WO3電極表面的長方體柱狀結(jié)構(gòu),其平均厚度約為80 nm。由圖9(c)可見,WO3堆積覆蓋在CC-WO3電極表面的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水熱反應(yīng)中H2O2的用量對(duì)WO3的結(jié)構(gòu)形貌影響較大。

圖8 W、W和W的(a)CV曲線和CP曲線Fig.8 (a) CV curves and (b) CP curves of W, W and W

圖9 (a) W、(b) W和(c) W的SEM圖Fig.9 SEM images:(a) W; (b) W; (c) W SEM images

3 結(jié) 論