Synthesis and electrochemical characterization of molybdenum trioxide

The present thesis investigated the hydrothermal synthesis of MoO3 from ammonium heptamolybdate tetrahydrate [(NH4)6Mo7O24 4H2O] (AHM) as a molybdenum source. The main focus of the work was the relationship between the main parameters of the synthesis and the phase structure and morphology of MoO3. As a result of this study, stable α-MoO3 particles were obtained in ribbon-like 1D morphology of about 160nm width, 64nm thickness and around 4µm length. Moreover, by polyvinylpyrrolidone (PVP) surfactant addition, small and rounded-spherical α-MoO3 particles were obtained of about 300nm of diameter. These synthesized α-MoO3 particles, due to its low dimensionality, define morphology and phase purity can be used as a promising material for many applications such as energy storage device, gas sensors and photocatalysts, among others. In addition, α-MoO3/graphene composite was successfully synthesized by hydrothermal process, mainly with the objective to improve the electrical property of the material, which was accomplished getting values of 16 S/m. Finally, the synthesized materials were electrochemically tested showing that α-MoO3, as an active material in electrodes, has a pseudocapacitive behavior. The specific capacitance of the materials varies in the range from between 156 (F/g) to 96 (F/g) initially in Na2SO4 and 122 (F/g) to 105 (F/g) in Li2SO4 electrolyte. From this, it was demonstrated that the morphology of the active material influences the pseudocapacitive behavior, getting the best result by the rounded spherical α-MoO3 particles. However, all the samples showed a notable decay in capacity over cycling which suggest a fading effect due intercalation process. The small size and well-defined morphology of α-MoO3 particles, together with the acceptable initial capacitance of the material, suggests a promising material for energy storage applications. However, further improvements are needed in order to enhance the electrochemical performance, in particular the understanding and ability to control the issues of material stability and degradation and the improvement of basic property such as the electrical conductivity.

In questa tesi si è studiato la sintesi idrotermale di MoO3 da ammonio eptamolibdato tetraidrato [(NH4) 6Mo7O24 4H2O] (AHM) come fonte di molibdeno. In particolare lo studio si è centrato sulla struttura di fase e la morfologia di MoO3 mettendo in evidenza l’effetto sull’una e/o l’altra dei principali parametri di sintesi. Come risultato di questo studio, particelle α-MoO3 stabili sono state ottenute in morfologia ribbon-like 1D, aventi dimensioni di circa 160 nm in larghezza, 64 nm di spessore e circa 4 μm di lunghezza. Inoltre, mediante aggiunta di tensioattivo di polivinilpirrolidone (PVP), sono state ottenute particelle α-MoO3 sferiche arrotondate e piccole di circa 300 nm. Questi particelle di α-MoO3, a causa della loro bassa dimensionalità, la morfologia definita e la purezza di fase, possono essere utilizzati come materiale promettente per diverse applicazioni, e.g. per dispositivi di accumulo di energia. Infine, è stato sintetizzato il composito α-MoO3 / grafene mediante processo idrotermale, principalmente con l'obiettivo di migliorare la proprietà elettrica del materiale, ottenendo un valor di 16 S / m. I materiali sintetizzati sono stati testati elettrochimicamente mostrando che α-MoO3 come materiale attivo negli elettrodi ha un comportamento pseudocapacitivo. La capacità specifica dei materiali elettrodici varia da 156 (F / g) a 96 (F / g) in Na2SO4 e da 122 (F / g) a 105 (F / g) in Li2SO4. Con questo, è stato dimostrato che la morfologia del materiale attivo influenza il comportamento pseudocapacitivo, ottenendo il miglior risultato dalle particelle sferiche α-MoO3. Tuttavia, tutti i campioni hanno mostrato un rapido e significativo decadimento della capacità durante prove ripetute di voltammetria ciclica, probabilmente una conseguenza di modificazioni strutturali dell’ossido associate ai processi di idratazione e intercalazione. La morfologia definita, regolare ed uniforme, le piccole dimensioni delle diverse unità morfologiche, insieme con valori iniziali accettabili di capacità specifica del materiale, suggerisce che α-MoO3 sia un materiale promettente per le applicazioni di accumulo di energia; tuttavia, è necessario comprendere e controllare le trasformazioni del materiale e migliorarne proprietà di base quali la conduttività elettrica.