H2 WO4 掺杂铅钒酸盐玻璃的结构-性能调控及其在储能器件中的应用研究

本研究针对半导体玻璃在电子器件中的关键性能瓶颈，通过熔融淬火技术制备H2 WO4 掺杂铅钒酸盐玻璃体系，系统揭示了组分-结构-性能关系。研究发现随着H2 WO4 含量增加，材料密度提升至5.92 g/cm3 ，比电容达103.14 Fg-1 ，阻抗低至1.74 Ω，展现出优异的电化学储能特性，为新型超级电容器电极材料开发提供了新思路。

　　

在能源存储技术快速发展的今天，传统储能材料面临着能量密度与功率密度难以兼得的挑战。过渡金属氧化物玻璃因其独特的非晶态结构和可调控的电子传导特性，被视为极具潜力的新型储能材料。其中，含钒(V)和钨(W)的玻璃体系因其多价态特性引发的氧化还原反应，在超级电容器领域展现出特殊优势。然而，关于H₂
WO₄
掺杂铅钒酸盐玻璃的系统研究尚属空白，其构效关系与储能机制亟待阐明。

针对这一科学问题，国内研究人员通过精确控制(V₂
O₅
)_0.6–x
-(PbO)_0.4
-(H₂
WO₄
)_x
（x=0.1-0.3）玻璃体系的化学组成，采用熔融淬火技术成功制备系列样品。研究综合运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)、交流/直流电导测试及循环伏安法(CV)等表征手段，首次全面揭示了该材料体系的结构特征与性能演变规律。论文发表在《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》期刊，为新型玻璃基储能材料的开发提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：1) 熔融淬火法制备组分梯度变化的玻璃样品；2) FTIR分析400-4000 cm^-1
范围内的特征振动峰；3) TGA评估材料热稳定性；4) 宽频介电谱测试交流/直流电导率；5) 三电极体系CV测试电化学性能。

【FTIR分析】
红外光谱在506 cm^-1
处检出PbO₄
基团特征峰，626 cm^-1
和743 cm^-1
处的吸收峰证实WO₆
八面体的存在。随着H₂
WO₄
含量增加，1040 cm^-1
处V=O键振动峰强度减弱，表明W⁶⁺
对玻璃网络结构的修饰作用。

【热稳定性】
TGA曲线显示所有样品在高温区(<800K)失重率<5%，证实材料具有优异的热稳定性。其中x=0.3样品表现出最高的分解温度，这与W-O键的高键能特性密切相关。

【电导特性】
直流电导活化能介于0.21-0.38 eV，符合小极化子hopping传导机制。交流电导率呈现典型的Jonscher幂律特征，频率指数s值随温度升高而降低，证实载流子通过跳跃机制在非晶网络中迁移。

【电化学性能】
CV测试显示在5 mV/s扫速下，比电容从79.01 Fg^-1
(x=0.1)线性提升至103.14 Fg^-1
(x=0.3)。电化学阻抗谱(EIS)揭示界面电荷转移电阻(R_ct
)最低达1.74 Ω，远低于同类钒酸盐玻璃体系。

研究结论表明：H₂
WO₄
的引入通过W⁵⁺
/W⁶⁺
氧化还原对增强了电子传导，同时PbO₄
结构单元提高了网络稳定性。该工作首次建立了铅钒酸盐玻璃组成-结构-性能的定量关系，特别是揭示了W掺杂浓度与比电容的正相关性。材料展现的低阻抗、高比电容特性，使其在快速充放电型超级电容器领域具有明确的应用前景。研究提出的"过渡金属离子协同效应"机制，为后续设计多组分功能玻璃提供了新范式。