Multifunctional Materials for Energy Storage and Oxygen Evolution: Tungsten and Molybdenum Doped Titanium Niobium Oxide

Abstract

As the demand for sustainable and efficient energy systems continues to grow, integrated energy solutions have sparked interest in materials that combine multiple functionalities within a single structure. Rather than serving a single purpose, such materials could store energy, catalyse chemical reactions, and even exhibit optical changes, enabling novel applications in smart devices and material repurposing. This thesis investigates titanium niobium oxides (TNOs) doped with molybdenum (Mo) and tungsten (W), focusing on their potential for lithium-ion energy storage and catalytic activity in the oxygen evolution reaction (OER). The synthesized TNOs exhibited distinct functional behaviours depending on the dopant. Mo doping resulted in enhanced electrochemical performance, suggesting improved conductivity and a shift in the energy storage mechanism from intercalation to capacitive behaviour at higher sweep rates. In contrast, among the three samples, the W-doped TNOs demonstrated superior catalytic efficiency for the OER possibly due to residual WO3 or surface lattice strain induced by W incorporation. Potential electrochromic properties were also investigated on an ad hoc basis, but conclusive results could not be obtained due to limited equipment for through testing. These findings reveal a trade-off between energy storage and catalytic performance, underscoring the potential and importance of compositional tuning. Although combining both functionalities in a single optimized material remains a challenge, Mo- and W-doped TNOs show promising properties as multifunctional electrodes.

Popular Abstract (Swedish)

I takt med omställningen till mer hållbara energisystem, med elbilen som en av de tydligaste symbolerna, växer behovet av material som inte bara snabbt kan leverera hög strömstyrka, utan också fyller flera funktioner för att kunna integreras i en allt mer dynamisk vardag. Energilagring måste dessutom vara säker, effektiv och redan från början utformas med återanvändning och återvinning i åtanke. Framtidens material behöver helt enkelt vara mångsysslare.

Grafit, som i dag är det vanligaste anodmaterialet i litiumjonbatterier, fungerar väl men kommer med vissa utmaningar. Det gäller särskilt i högkraftsapplikationer som elbilar, där snabb laddning och urladdning krävs, samt ur ett säkerhetsperspektiv då användningen av fluorhaltiga, vattenbaserade elektrolyter kan leda till bildning av fluorvätesyra (HF). HF är frätande och problematiskt när det kommer till hantering av redan förbrukade batterier. Ett alternativ till grafit är titaniumniobiumoxid (TNO), som med sin pseudokapacitiv karaktär möjliggör snabbare strömleverans. Dessutom är TNO kompatibelt med icke-vattenbaserade elektrolyter där HF inte bildas och förbättrar förutsättningarna för återanvändning och återvinning. Utöver energilagring har TNO även visat potential som katalysator i syreutvecklingsreaktionen, en viktig komponent i produktionen av vätgas, vilket ytterligare ökar intresset för materialet med framtidens energilösningar i åtanke.

Genom att tillsätta små mängder av andra grundämnen, s.k. dopning, kan TNO:s struktur förändras och materialets egenskaper kan skräddarsys. I denna studie har materialet dopats med molybden respektive volfram för att undersöka hur dessa ämnen påverkar funktionaliteten. Resultaten tyder på att molybden förbättrar materialets förmåga att lagra energi, medan volfram ökar den katalytiska aktiviteten vid syreutvecklingsreaktionen. Att kunna justera TNO:s funktion med doping öppnar dörrar för hur framtidens mångfunktionella energilösningar hade kunnat se ut.

Multifunktionaliteten kan i praktiken uttryckas genom återbruk av materialet med ett nytt syfte och bidragande till en cirkulär ekonomi, kompatibelt med den ökade säkerheten vid hantering av förbrukade batterier, p.g.a. frånvaro av HF, eller genom att redan från början använda TNO i en anordning där både energilagring och katalys möjliggörs. För att detta ska vara hållbart krävs dock att egenskaperna kunna mäta sig andra etablerade alternativ, vilket inte uppnåddes i denna studie, möjligen p.g.a. oreagerat material från syntesen. Att förbättra fasrenheten är därför ett första steg för att kunna avgöra om dopad TNO kan vara kommersiellt gångbart. Ytterligare vore det värdefullt att förstå de bakomliggande mekanismerna, samt hur ett sådant multifunktionellt material mer specifikt kan implementeras verkliga sammanhang. Lyckas dessa kunskapsluckor fyllas finns det goda chanser att dopat TNO får en viktig roll i framtidens hållbara energilösningar.

• author: Magnusson, Erika
• supervisor: Mark Rambaran; Kimberly Dick Thelander
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• alternative title: Mångfunktionella material för energilagring och syrgasutveckling: volfram- och molybden­dopat titanniobiumoxid
• course: KASM10 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Titanium niobium oxide, TNO, Transition metal oxide, Doping, Molybdenum, Tungsten, Multifunctional materials, Lithium-ion battery, Electrode materials, Anode, Energy storage, Oxygen evolution reaction, OER, Solid-state synthesis, Electrocatalysis, Electrochromism, Compositional tuning, Ion intercalation, Electrochemical performance, Structure-property relationship, Materials chemistry
• language: English
• id: 9209643
• date added to LUP: 2025-08-18 12:50:02
• date last changed: 2025-08-18 12:50:02