Ce2Mo3O12/g-C3N4纳米复合材料的声化学合成优化及其电化学储氢性能研究

《Environmental Technology & Innovation》：Ce 2Mo 3O 12/g-C 3N 4 nanocomposites: Optimization of synthesis parameters, characterization, and study as a potential hydrogen storage material

为提升电化学储氢容量，研究人员通过声化学法成功制备了具有高比表面积和特殊形貌的Ce2Mo3O12/g-C3N4纳米复合材料。研究表明，该复合材料在20次循环后放电容量达1920.3 mAh/g，显著优于单一组分，其协同效应为高性能储氢材料设计提供了新策略。

　　

在全球能源转型和可持续发展的大背景下，开发高效、安全的能源存储系统已成为当今世界的研究热点。随着环境问题日益严峻和人类社会对清洁能源需求的不断增长，实现清洁可持续的能源存储变得至关重要。在众多清洁和可再生能源中，氢能因其高能量含量、低污染和储量丰富等优势，在交通运输、发电和供热等领域展现出巨大应用潜力。然而，氢气的安全高效存储仍然是制约其大规模应用的技术瓶颈。

目前，压缩气体和低温液化是两种主流的氢气存储方式，但都存在存储容器庞大、液体氢易蒸发和安全风险等问题。相比之下，电化学固态储氢因其高能量密度、高安全性和低成本等优势，被认为是最有前景的氢存储方式之一。在这种背景下，研究人员将目光投向了混合金属氧化物和碳基纳米复合材料，这些材料因其独特的物理化学性质在电化学储氢领域展现出巨大潜力。

在这项发表于《Environmental Technology》的研究中，伊朗卡尚大学纳米科学与纳米技术研究所的Masoud Salavati-Niasari团队针对Ce₂Mo₃O₁₂/g-C₃N₄纳米复合材料的合成优化及其电化学储氢性能展开了系统研究。该研究旨在解决传统储氢方法存在的技术瓶颈，通过材料设计和复合策略开发高性能储氢材料。

研究人员采用声化学法制备Ce₂Mo₃O₁₂纳米结构，并通过煅烧melamine（三聚氰胺）获得g-C₃N₄，最终通过超声分散复合得到纳米复合材料。利用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、场发射扫描电镜、高分辨透射电镜、能量色散X射线光谱和氮气吸附-脱附等技术对材料进行表征，并通过恒电流充放电、循环伏安法和电化学阻抗谱评估其电化学储氢性能。

材料表征结果

XRD分析表明，在Ce:PVP比例为1:1、煅烧温度600°C条件下制备的S₃样品结晶度最佳，平均晶粒尺寸为27.56 nm。FT-IR谱图确认了Mo-O-Mo（844 cm^-1）、Mo=O（917 cm^-1）和M-O（415 cm^-1）等特征官能团的存在。FE-SEM和HR-TEM显示复合材料中Ce₂Mo₃O₁₂纳米颗粒均匀分布在g-C₃N₄纳米层上，形成特殊的异质结构。BET测试表明复合材料比表面积为4.4555 m²/g，优于单一Ce₂Mo₃O₁₂（1.9113 m²/g）。

电化学性能分析

循环伏安测试显示，复合材料在-1.2至-0.2 V电位范围内出现明显的氧化还原峰，表明其具有良好的氢吸附/脱附性能。恒电流充放电测试结果表明，Ce₂Mo₃O₁₂/g-C₃N₄纳米复合材料在20次循环后的放电容量达到1920.3 mAh/g，显著高于单一Ce₂Mo₃O₁₂的1003.2 mAh/g。电化学阻抗谱显示复合材料的电荷转移电阻为43.25 Ω，远低于单一组分的130.7 Ω，表明其具有更优异的电荷传输性能。

储氢机制探讨

研究提出了三种协同储氢机制：氢溢流效应（氢原子在Ce₂Mo₃O₁₂纳米颗粒表面解离后迁移至g-C₃N₄层）、物理吸附过程以及钼中心的氧化还原反应。这些机制共同作用，显著提升了复合材料的储氢容量和循环稳定性。

该研究通过合理的材料设计和复合策略，成功开发出具有优异电化学储氢性能的Ce₂Mo₃O₁₂/g-C₃N₄纳米复合材料。其1920.3 mAh/g的放电容量在同类材料中表现突出，为未来高性能储氢材料的设计开发提供了新的思路和实验依据。研究成果对推动清洁能源技术的发展，实现氢能的高效利用具有重要意义，为可持续能源存储系统的实际应用奠定了材料基础。