吉林大学MTE：氧空位调控氧化钼纳米结构助力电化学能源储存

锂电联盟会长 2022-11-13 08:00

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文章信息

氧空位调控氧化钼纳米结构助力电化学能源储存

第一作者：黄成相

通讯作者：张伟*，郑伟涛*

单位：吉林大学

研究背景

迄今为止，发现了不同成分的氧化钼，包括MoO₃、MoO₂和一些中间体，它们已被精细地合成并在各种储能应用中进行了探索。这些氧化钼的三维结构源于由边共享和/或角共享样式堆叠的MoO₆八面体单元。MoO₆八面体由于其特殊的配位模式提供了不同的平衡键距离，这显著影响了Mo-O键的长度。

这里，八面体特征源于六个O原子与一个Mo原子的连接，并且O原子在等边三角形的拐角处被三个Mo包围。此外，氧化钼中MoO₆八面体之间的空位点被用作寄主那些外来离子，如H⁺和Li⁺，这对于电极材料中的嵌入/脱嵌过程非常有利。同时，它伴随着离子迁移的同时，也伴随着Mo氧化态的部分还原。本文阐述了氧化钼的基本特性、合成与表征、电化学应用以及未来的研究发展。

文章简介

基于此，吉林大学张伟教授和郑伟涛教授在国际期刊Materials Today Energy上发表题为“The debut and spreading the landscape for excellent vacancies-promoted electrochemical energy storage of nano-architected molybdenum oxides”的综述文章。

本文系统总结纳米结构氧化钼的物理、电子和化学性质，充分讨论了晶体场理论及其电子能带结构设计对电化学储能相关性能的影响。而后也探讨了MoO₃_-x的合成技术和表征，如合成优势和关键挑战。得益于这些优点，对氧化钼的电荷存储机制及其电化学应用（包括锂离子电池、非锂离子电池和超级电容器）进行了深入讨论。随着整个领域的发展，除了目前已取得的进展外，还为这一前景广阔的领域提出了未来努力的机会和前景。

图1. 氧化钼的基本原理、合成方法和储能应用的示意图

本文要点

要点一：MoO₃_-x的基本特性

氧缺陷的干预对内部和表面界面之间的相互作用有很大影响。表面氧缺陷的引入将导致半导体表面电荷分布不均匀和价键分布不平衡，这将有效修改氧化钼的表面电子结构。氧原子的缺失可能导致周围原子的重排，从而有效地调节了层间距。

此外，缺陷工程的调控将产生更多低配位数的表面金属原子，并暴露出更多悬空键，从而产生表面极性，这可以提高材料表面与其他原子、离子或小分子的结合能力。另一方面，将氧缺陷引入晶体界面将在半导体带隙处形成窄带电子态，并最终形成新的缺陷能级或浅施主能级，从而降低带隙并提高了材料的导电性。

要点二：MoO₃_-x的合成与表征

各种合成方法已被用于构建MoO₃_-x的尺寸和形貌。常见的方法包括：水热/溶剂热法、电沉积法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等。因此，MoO₃_-x的合成已被广泛研究并取得巨大的发展。然而，氧空位作用的具体原理仍有争议。因此，必须通过多功能表征方法系统地研究氧空位与性能之间的关系，以便更全面和深入地研究氧空位的作用。

对于MoO₃_-x中的氧空位，有多种表征氧空位的方法来进行定性或定量表征。采用适当的表征方法可以使我们更深入地了解MoO₃_-x的缺陷和空位，从而建立结构与性能之间的对应关系，以便更准确和有效地设计和调节材料的氧空位。

要点三：应用

氧化钼由于其独特的结构和电子特性，在满足电化学储能方面具有巨大的潜力。目前已广泛应用于离子电池、非锂离子电池和超级电容器等领域，而重中之重的是，目前还缺乏完整的氧化钼的电荷存储机制的深入讨论。此外，传统上，金属阳离子是插层赝电容最常用的电荷载体。然而，由于其结晶度和晶体尺寸，其电化学性能完全不同，这都得溯源到氧化钼的电化学存储机制上。因此，对于氧化钼在各电化学领域的而言，对其电荷存储机制的研究是必不可少的。

要点四：展望

许多先前的工作已经证明，通过引入氧空位可以优化电极材料的电化学性能。但是，要全面理解氧化钼纳米材料的微观结构、成分的细节以及电化学机制并不容易。为了促进氧化钼纳米材料进一步的发展，以便实现更深入地研究和挖掘，本文从氧空位精确引入、先进表征技术、反应机理探究以及产业化等方面进行讨论，为未来的研究发展提出了一些改进策略。

文章链接

Chengxiang Huang, Wei Zhang, Weitao Zheng. The debut and spreading the landscape for excellent vacancies-promoted electrochemical energy storage of nano-architected molybdenum oxides, 2022, Materials Today Energy,

Doi:10.1016/j.mtener.2022.101154.

作者简介

黄成相，2020年毕业于江苏大学，获硕士学位。现为吉林大学张伟教授指导下的博士研究生。目前主要的研究方向为钼基电极材料在水系电池以及超电方向的研究和应用。

张伟，2004年获得中国科学院金属研究所博士学位，而后在日本NIMS，韩国SAIT，德国FHI-MPG和丹麦DTU、西班牙能源协作研究中心从事合作或独立的科学研究。2014年任吉林大学特聘教授（2020起，唐敖庆学者-领军教授）；自2017年起担任吉林大学电子显微镜中心副主任、执行主任、主任。目前主要研究方向为先进能源材料和催化剂的表界面。

郑伟涛，吉林大学特聘教授（教育部“重大人才工程奖励计划”）、常务副校长。1990年于吉林大学获博士学位。之后曾在瑞典皇家工学院、林雪平大学、日本千叶工业大学和新加坡南洋理工大学任职。目前主要研究方向为能源材料、功能薄膜和催化剂。

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