武漢理工大學(xué)木士春教授課題組成果：NH2-MIL-125 (Ti) 衍生的花狀納米TiO2鑲嵌氮摻多孔碳表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能
原創(chuàng) 物理化學(xué)學(xué)報(bào) 物理化學(xué)學(xué)報(bào)WHXB 2021-12-09
第一作者：楊越
通訊作者：木士春
通訊單位：武漢理工大學(xué)，佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室
主要亮點(diǎn)
以花狀NH2-MIL-125 (Ti)鈦基MOF為模板和前驅(qū)體, 通過(guò)一步煅燒法, 合成出由超薄二維褶皺型多孔氮摻雜碳納米片（平均厚度僅為1.5 nm）堆疊和組裝而成的超細(xì)納米TiO2/多孔氮摻雜碳片復(fù)合材料(FL-TiO2/NPC)，具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積(238.3 m2·g-1)。電化學(xué)性能測(cè)試表明，在2 A·g-1、2000圈大電流長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試后，電極材料仍能保持256.5 mAh·g-1的比容量和接近100％的庫(kù)倫效率。該材料的合成策略可以為今后高儲(chǔ)鋰金屬氧化物/多孔氮摻雜碳材料的制備提供一種新的思路。
研究背景
隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的加劇，鋰離子電池作為全球?qū)崿F(xiàn)清潔能源的重要組成部分正在受到越來(lái)越多的關(guān)注，而尋找高效安全的鋰離子電池電極材料是當(dāng)今時(shí)代的一個(gè)重大課題。在眾多負(fù)極材料中，二氧化鈦(TiO2)由于其環(huán)保、廉價(jià)以及優(yōu)異的安全穩(wěn)定性而受到人們的廣泛關(guān)注。但TiO2較差的導(dǎo)電性和較低的理論比容量限制了其作為負(fù)極材料進(jìn)一步的應(yīng)用。而具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)(納米線、納米片、多孔結(jié)構(gòu)等)的雜原子摻雜碳/TiO2復(fù)合材料則展現(xiàn)了極大的研究前景。
核心內(nèi)容
1 合成策略
本工作巧妙地選擇了具有花狀結(jié)構(gòu)的NH2-MIL-125(Ti)鈦基MOF為前驅(qū)體和模板，通過(guò)一步煅燒法(600 ℃, Ar)，最終制備出亦具有相似花狀結(jié)構(gòu)的FL-TiO2/NPC。在同樣的合成條件下將鈦基MOF在空氣中煅燒，得到對(duì)比樣P-TiO2。
圖1 FL-TiO2/NPC電極材料的制備流程示意圖
2 結(jié)構(gòu)表征
由SEM、TEM、HRTEM和AFM觀察可知，所制備的FL-TiO2/NPC由超薄(~1.5 nm)多孔氮摻雜碳納米片組裝而成，完美繼承母體MOF的花狀結(jié)構(gòu)；XRD和Raman測(cè)試進(jìn)一步表明產(chǎn)物中有銳鈦礦TiO2和無(wú)定形碳的存在；BET測(cè)試則表明FL-TiO2/NPC產(chǎn)物具有較大的比表面積(238.3 m2·g-1)；XPS測(cè)試進(jìn)一步表明N雜原子的成功摻雜。這些獨(dú)特的形貌特和結(jié)構(gòu)征有利于提升材料的電化學(xué)性能。
圖2 FL-TiO2/NPC電極材料和對(duì)比樣P-TiO2微觀形貌及組分表征(a為前驅(qū)體NH2-MIL-125 (Ti), b為煅燒后FL-TiO2/NPC, c為空氣下煅燒后的對(duì)比樣P-TiO2)
圖3 FL-TiO2/NPC電極材料結(jié)構(gòu)及組分表征
3 電化學(xué)性能表征
在5A·g-1大電流密度下，所制備的FL-TiO2/NPC電極材料仍能保持210.7mAh·g-1的比容量；在2 A·g-1、2000圈大電流長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試后，電極材料依然能保持256.5 mAh·g-1的比容量和接近100％的庫(kù)倫效率；進(jìn)一步的CV測(cè)試表明，在1mV s-1的掃速下，F(xiàn)L-TiO2/NPC的贗電容占比高達(dá)63.6％，展現(xiàn)了其優(yōu)異的贗電容儲(chǔ)鋰性能。
圖4 FL-TiO2/NPC電極材料和P-TiO2的電化學(xué)性能
結(jié)論與展望
采用獨(dú)特的合成策略獲得了具有高儲(chǔ)鋰特性的金屬氧化物（TiO2）/多孔氮摻雜碳復(fù)合材料。但同時(shí)如何合成其他結(jié)構(gòu)(一維納米線、中空結(jié)構(gòu)、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)等)MOF仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。今后可以繼續(xù)對(duì)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行多雜原子摻雜及多相混合調(diào)控，從而制備出更高效、安全及穩(wěn)定的儲(chǔ)鋰/鈉性能的負(fù)極材料。
參考文獻(xiàn)及原文鏈接
Yang, Y.; Zhu, J. W.; Wang, P. Y.; Liu, H. M.; Zeng, W. H.; Chen, L.; Chen, Z. X.; Mu, S. C. NH2-MIL-125 (Ti) Derived Flower-Like Fine TiO2 Nanoparticles Implanted in N-doped Porous Carbon as an Anode with High Activity and Long Cycle Life for Lithium-Ion Batteries. Acta Phys. -Chim. Sin., 2022,38 (6), 2106002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202106002