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钒(V)作为一种过渡金属,与氧结合具有丰富的价态,与氮结合形成高导电性的VN,在电化学应用领域内被广泛地研究。本课题通过氧化石墨烯和偏钒酸铵的水热处理,及随后的氢气、氨气气氛下的热处理过程,分别制备了两种钒基纳米材料(三氧化二钒-石墨烯三维凝胶和氮化钒-石墨烯三维凝胶),考察其形貌和结构特征,并探索储锂和氧还原反应催化的电化学性能。三氧化二钒-石墨烯三维凝胶和氮化钒-石墨烯三维凝胶具有与众不同的特性,包括均匀分散在石墨烯片层上的纳米晶粒、多孔的结构、和连续不断的石墨烯骨架。这些特性使其在储锂过程中能够有序控制体积变化,阻止他们循环过程中的团聚,使锂和电子朝着电极快速扩散,从而极大地提升了电化学活性。因此,钒基纳米材料展现出突出的电化学性能,在锂电存储过程中表现出高可逆容量,良好的高倍率性能和长循环寿命。其中,三氧化二钒-石墨烯三维凝胶在0.2 C电流倍率下,可逆容量为796 mAh g-1,50 C和100 C的倍率下,比容量仍保持在201mAh g-1和192 mAh g-1,5C倍率下1000次循环后容量无衰减,且高低温(0-75 ℃)性能良好。氮化钒-石墨烯三维凝胶样品在0.2 C的电流倍率下,可逆容量可以达到715 mAh g-1,5 C和20 C的倍率下,比容量分别保持在317 mAh g-1和201 mAh g-1,库伦效率近乎100%,800次循环后容量无衰减。氮化钒-石墨烯三维凝胶作为非贵金属基ORR电催化剂,具有丰富的VN量子点,高比表面积和多层次的孔结构,最大化暴露活性位并为ORR提供了丰富的电子运输通道,展现出高电催化活性,长耐受性,和对ORR的高选择性,与商业可用的Pt-C电极相当。这种简单的、易控制的合成方案能够进一步延展到其他3D多孔石墨烯凝胶上生长金属氧化物、氮化物纳米颗粒的制备并广泛地应用于电池、催化剂、传感器和其他电子设备。