白李琦：基于钼氧化物的姜·泰勒畸变探索的大容量超级电容器和优异光催化性能

来源：中国地质大学

由于不同材料的物理和化学性质相似往往使之具有普适性应用，但如何探索和区分最适合于特定功能的材料无疑是一项非常艰巨的任务。为了更好地挖掘材料的合适性能，实验前的理论预测和计算是必不可少的。近年来，在晶体结构预测的改进的帮助下，已经凭借计算机或机器学习工具预测了一些新材料，尤其是超导体材料、锂电池材料、半导体材料等。

我校材料科学与工程学院博士研究生白李琦在资源综合利用与环境能源新材料创新团队张以河教授、孙黎副教授和黄洪伟教授指导下，利用晶体场理论和密度泛函理论预测了氧化钼的电子结构和能带结构，之后通过理论计算和实验分别证明了MoO₃和MoO₂具有两种不同的合适性能，即光催化降解四环素和超级电容器应用。取得以下结论：

1、合成的MoO₃/rGO（GM3）表现出高效的光催化活性，在2小时模拟太阳光照射下降解四环素的去除效率为90.6％。MoO₂/rGO/g-C₃N₄（GMCN）复合材料在电流密度为1A g^-1时具有1700 F g^-1的理论容量，纽扣状的器件具有在3000次循环后电流密度为4 A g^-1时电容保持率为74.7％的长循环稳定性；

2、在625 W kg^-1的高密度下，最大能量密度为39.4 W h kg^-1。工作电压为1.2 V的两个器件可以点亮21个LED指示灯。低成本的GMCN电极具有的高容量，令人满意的稳定性和效果，可能使之成为钼系的大容量超级电容器复合材料的首选之一。

3、此外，GMCN体系也具有相当的光催化潜力，根据g-C₃N₄和MoO₃的能带结构以及rGO的费米能级，它们具有匹配的能带结构，有利于形成Mott-Schottky异质结结构促进光催化活性。

图1. 晶体场理论推导的电子轨道结构与Jahn-Teller畸变。（a）Mo⁶⁺和（b）Mo⁴⁺的4d轨道能级与Jahn-Teller效应。（c）MoO₃和（d）MoO₂中[MoO₆]的八面体结构单元（O_h）示意图。（e）Mo⁶⁺发生氧化还原反应。 （f-g）沿不同方向观察的MoO₃中的[MoO₆] O_h单元堆积。（h-i）沿不同方向观察的MoO₂中的[MoO₆] O_h单元堆积。

图2. 超级电容性能表征

（a）GMCN和GM2-14电极的超级电容性能计算后的比较；（b）GMCN // AC（活性炭）非对称超级电容器器件的结构示意图；（c）GMCN的GCD（恒流充放电）曲线和（d）CV曲线；（e）GMCN // AC非对称SC的奈奎斯特图；（f）GMCN // AC器件的长循环性能：在4 A g^-1下，持续3000圈后，容量保持率达74.7%以上。该器件的演示效果：（g）由该器件可以给单个的红色LED供电超过12分钟。（h）由该器件21个LED并联供电超过半分钟并显示“CUGB”点阵。（i）将这项工作与前人文献中的结果作Ragone plot图比较。 

上述研究成果发表于材料科学国际著名刊物 《Nano Energy》上： Liqi Bai, Yihe Zhang, Likai Zhang, Yuanxing Zhang, Li Sun, Ning Ji, Xiaowei Li, Haochen Si, Yu Zhang and Hongwei Huang, Jahn-Teller Distortions in Molybdenum Oxides: An Achievement in Exploring High Rate Supercapacitor Applications and Robust Photocatalytic Potential, Nano Energy, Nano Energy 2018, 53, 982–992. [IF2017=13.125]