氧化鎢-碳複合材料的優點

在氧化鎢中引入碳材料以獲得的氧化鎢-碳複合材料具有幾個優點。一個是複合材料可以整合氧化鎢和碳材料的優點。另一個是，它更有可能形成具有高結構穩定性的簡易結構。石墨烯是一種基於蜂窩狀晶格的單碳原子層的扁平單層。這種特殊的二維結構使其具有超高的理論比表面積（2675 m² g^-1），並提供了高熱和電子傳導性。

Zeng等合成了由WO₃納米片和石墨烯組成的分層夾層複合材料。他們將WO₃*H₂O納米片加入到分散好的氧化石墨烯溶液中，然後攪拌溶液，形成同質懸浮液。隨後是真空過濾過程。WO₃*H₂O納米片-GO從膜上剝離後，再進行熱處理，最後得到WO₃納米片和石墨烯。WO₃被均勻地嵌入石墨烯的夾層中，因此電極具有穩定的迴圈性能，因為WO₃的體積膨脹可以在迴圈過程中得到有效緩解。在電流密度為1080 mA g^-1時，其可逆容量在1000次迴圈後保持在615 mA h g^-1左右。

Kim等報導了一種由石墨烯納米片組成的二維納米複合材料，上面散佈著WO₃納米片。在80 mA g^-1的條件下迴圈50次後，其容量為688.8 mA h g^-1，而純WO₃為555.2 mA h g^-1。Gu等製作了錨定在N摻雜的三維石墨烯框架上的竹狀WO₃納米棒。這種複合材料可以有效地承受體積的變化，它提供了更高的電導率。還原氧化石墨烯（rGO），通常通過還原氧化石墨烯獲得，被廣泛用於實現鎢氧化物的更好的電化學性能。Dang等通過水熱法和加熱處理，成功地將WO₃納米片嵌入rGO基體中。在100 mA g^-1下迴圈150次後，其放電能力仍為1005.7 mA h g^-1，幾乎是純WO₃的兩倍（565 mA h g^-1）。

這種改進的主要原因可以歸結為：rGO不僅可以為離子和電子提供更方便的通道，而且在很大程度上緩衝了迴圈過程中對其結構的破壞。Huang等製造了嵌入摻有N和S的rGO基體中的h-WO₃納米棒。在100 mA g^-1的電流密度下，該複合材料在第一個迴圈中擁有1030.3 mA h g^-1的特定放電容量，在第二個迴圈中略微下降到816 mA h g^-1。

此外，在1500mA.h.g^-1的高電流密度下，在200個迴圈中，其比放電容量平均為196.1mA.h.g^-1。Park等將WO₃顆粒分散在三維大孔rGO框架上。這種特殊的結構和rGO的良好導電性共同提高了其速率能力和迴圈穩定性。

中孔碳材料是另一種具有高電導率和熱導率、高度多孔結構和大比表面積的碳材料。Wang等將超小的WO₃納米晶體分散到介孔碳基體中。在製備過程中，W族被碳基質所限制，使得WO₃的粒徑在3nm左右，複合材料的高比表面積為157m².g^-1。

在電流密度為100 mA.g^-1的情況下迴圈100次後，其比放電容量為440 mA.h.g^-1。Kim等也實現了一種納米複合材料，其中WOx納米顆粒被均勻地嵌入到介孔碳基體中。它的主要改進在於由於介孔碳基質的高導電性和較短的鋰擴散途徑，在脫硫過程中極化程度較低。

除了上述的氧化鎢-碳複合材料，非晶碳材料也經常被用來實現更好的電化學性能。例如，Yoon等在花狀的WO₃上塗了一層薄薄的碳，加強了活性WO₃和電流收集器之間的電化學相關性，同時也緩衝了體積變化，顯示出了比純WO₃更好的迴圈穩定性和速率性能。

Herdt等將WO₃納米棒陣列封裝在一薄層碳中。在C/20條件下進行200次充放電迴圈後，納米棒的垂直排列得以保持，表明這種複合材料具有出色的結構穩定性。此外，Liu等獲得了一種WO₃*0.33H₂O@C的複合材料，其中WO₃*0.33H₂O周圍塗有無定形碳。在其研究中，適量的碳塗層可以產生積極的效果，而當碳的量過多時，則過猶不及，會降低WO₃-0.33H₂O的結晶度，同時也降低複合材料的容量。此外，有研究報告稱，摻有碳的超薄WO₃-x納米板也表現出優異的電化學性能。

參考文獻：Han W, Shi Q, Hu R. Advances in electrochemical energy devices constructed with tungsten oxide-based nanomaterials[J].《納米材料》, 2021, 11(3): 692.

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