稀土元素协同掺杂V2O5的结构工程策略提升超级电容器电化学性能研究

《Materials Science and Engineering: B》：Enhanced electrochemical performance of V?O? through strategic rare-earth co-doping: Structural engineering for high-performance supercapacitors

本文系统探讨了稀土元素（La、Er、Yb）共掺杂对五氧化二钒（V2O5）电极材料的结构调控作用及其对超级电容器性能的增强机制。通过溶胶-凝胶法成功构建的Er3+/Yb3+共掺杂样品展现出最高微观应变（24.65×10-3），其比电容达474.7 F/g（1 A/g），电荷转移电阻仅10 Ω，循环1000次后容量保持率94.2%，为高性能水系储能器件开发提供了新思路。

　　

材料与溶胶-凝胶制备

商业级五氧化二钒（V₂O₅，纯度99.9%）被选为基础原料。除原始V₂O₅样品外，另采用三种稀土氧化物（La₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃）制备共掺杂样品。每种掺杂组合中稀土元素（RE₁和RE₂）的摩尔浓度均控制为钒元素摩尔量的0.5%，最终获得以下样品体系：原始V₂O₅·nH₂O及其稀土共修饰变体。

结构解析

通过X射线衍射（XRD）对合成样品进行晶体结构表征（扫描范围10°-80°）。如附图2所示，所有衍射峰均与正交晶系V₂O₅标准卡片（JCPDS 00-041-1426）高度吻合。与原始样品相比，稀土共掺杂样品呈现出显著的衍射峰位移与宽化现象，这暗示晶格发生各向异性畸变。通过威廉姆-霍尔法计算发现，ErYb-V₂O₅样品表现出最大微观应变值（24.65×10^-3），这种"晶格应变工程"为后续电化学性能提升奠定了结构基础。

结论

本研究成功证实Er³⁺/Yb³⁺共掺杂策略可将V₂O₅改造为高性能超级电容器电极材料。关键突破在于通过精准的"晶格应变调控"（微观应变达24.65×10^-3）构建了有利于电荷传输的缺陷结构。这种协同效应不仅显著提升电子导电性（电荷转移电阻低至10 Ω），更同步优化了离子扩散路径与结构稳定性，使材料在循环过程中保持94.2%的容量保持率，为新一代水系储能系统提供了理想材料解决方案。