氧化钨-碳复合材料的优点

在氧化钨中引入碳材料以获得的氧化钨-碳复合材料具有几个优点。一个是复合材料可以整合氧化钨和碳材料的优点。另一个是，它更有可能形成具有高结构稳定性的简易结构。石墨烯是一种基于蜂窝状晶格的单碳原子层的扁平单层。这种特殊的二维结构使其具有超高的理论比表面积（2675 m² g^-1），并提供了高热和电子传导性。

Zeng等合成了由WO₃纳米片和石墨烯组成的分层夹层复合材料。他们将WO₃*H₂O纳米片加入到分散好的氧化石墨烯溶液中，然后搅拌溶液，形成同质悬浮液。随后是真空过滤过程。WO₃*H₂O纳米片-GO从膜上剥离后，再进行热处理，最后得到WO₃纳米片和石墨烯。WO₃被均匀地嵌入石墨烯的夹层中，因此电极具有稳定的循环性能，因为WO₃的体积膨胀可以在循环过程中得到有效缓解。在电流密度为1080 mA g^-1时，其可逆容量在1000次循环后保持在615 mA h g^-1左右。

Kim等报道了一种由石墨烯纳米片组成的二维纳米复合材料，上面散布着WO₃纳米片。在80 mA g^-1的条件下循环50次后，其容量为688.8 mA h g^-1，而纯WO₃为555.2 mA h g^-1。Gu等制作了锚定在N掺杂的三维石墨烯框架上的竹状WO₃纳米棒。这种复合材料可以有效地承受体积的变化，它提供了更高的电导率。还原氧化石墨烯（rGO），通常通过还原氧化石墨烯获得，被广泛用于实现钨氧化物的更好的电化学性能。Dang等通过水热法和加热处理，成功地将WO₃纳米片嵌入rGO基体中。在100 mA g^-1下循环150次后，其放电能力仍为1005.7 mA h g^-1，几乎是纯WO₃的两倍（565 mA h g^-1）。

这种改进的主要原因可以归结为：rGO不仅可以为离子和电子提供更方便的通道，而且在很大程度上缓冲了循环过程中对其结构的破坏。Huang等制造了嵌入掺有N和S的rGO基体中的h-WO₃纳米棒。在100 mA g^-1的电流密度下，该复合材料在第一个循环中拥有1030.3 mA h g^-1的特定放电容量，在第二个循环中略微下降到816 mA h g^-1。

此外，在1500mA.h.g^-1的高电流密度下，在200个循环中，其比放电容量平均为196.1mA.h.g^-1。Park等将WO₃颗粒分散在三维大孔rGO框架上。这种特殊的结构和rGO的良好导电性共同提高了其速率能力和循环稳定性。

中孔碳材料是另一种具有高电导率和热导率、高度多孔结构和大比表面积的碳材料。Wang等将超小的WO₃纳米晶体分散到介孔碳基体中。在制备过程中，W族被碳基质所限制，使得WO₃的粒径在3nm左右，复合材料的高比表面积为157m².g^-1。

在电流密度为100 mA.g^-1的情况下循环100次后，其比放电容量为440 mA.h.g^-1。Kim等也实现了一种纳米复合材料，其中WOx纳米颗粒被均匀地嵌入到介孔碳基体中。它的主要改进在于由于介孔碳基质的高导电性和较短的锂扩散途径，在脱硫过程中极化程度较低。

除了上述的氧化钨-碳复合材料，非晶碳材料也经常被用来实现更好的电化学性能。例如，Yoon等在花状的WO₃上涂了一层薄薄的碳，加强了活性WO₃和电流收集器之间的电化学相关性，同时也缓冲了体积变化，显示出了比纯WO₃更好的循环稳定性和速率性能。

Herdt等将WO₃纳米棒阵列封装在一薄层碳中。在C/20条件下进行200次充放电循环后，纳米棒的垂直排列得以保持，表明这种复合材料具有出色的结构稳定性。此外，Liu等获得了一种WO₃*0.33H₂O@C的复合材料，其中WO₃*0.33H₂O周围涂有无定形碳。在其研究中，适量的碳涂层可以产生积极的效果，而当碳的量过多时，则过犹不及，会降低WO₃-0.33H₂O的结晶度，同时也降低复合材料的容量。此外，有研究报告称，掺有碳的超薄WO₃-x纳米板也表现出优异的电化学性能。

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

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