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超薄納米片誘導(dǎo)法制備三維網(wǎng)絡(luò)狀介孔金屬氧化物

來源: X-MOL 2017-07-19 14:52:42

過渡金屬氧化物（TMOs）因具有較高的理論容量成為極具潛力的鋰離子電池（LIB）負(fù)極材料。然而，TMOs在離子嵌入過程中會(huì)發(fā)生巨大的體積變化，而且離子傳輸/電子傳導(dǎo)的效率較差，因此在實(shí)際應(yīng)用中體系材料的循環(huán)性能和倍率性能欠佳。為了改善TMOs作為LIB負(fù)極的性能，研究人員開發(fā)了多種納米結(jié)構(gòu)，例如納米管、納米片和空心球等。在不同結(jié)構(gòu)中，三維結(jié)構(gòu)有利于緩解體積應(yīng)力并提升電子傳導(dǎo)。此外，大表面積和豐富孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也可以改善離子的傳輸效率。

最近，天津大學(xué)趙乃勤教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組采用超薄納米片誘導(dǎo)合成的方法成功制備出三維網(wǎng)絡(luò)狀介孔氧化鈷（3D-MN Co3O4）。他們在制備過程中使用三維摻雜碳網(wǎng)絡(luò)（N-CN）納米片為模板，吸附金屬離子后進(jìn)行空氣煅燒將N-CN模板移除，從而得到三維網(wǎng)絡(luò)狀的氧化鈷（圖1）。

首先，他們通過NaCl模板制備得到3D N-CN。SEM圖像（圖2a）顯示3D N-CN由超薄納米片（厚度小于10 nm）組成。隨后，他們將3D N-CN浸入2 mol?L-1的Co(NO3)2溶液中。N-CN良好的親水性保證其均勻分散在溶液中。3D N-CN吸附Co離子后，經(jīng)過濾、干燥，并在空氣中500 ℃條件下煅燒，可以除去碳模板得到3D-MNCo3O4。由圖2b和2c可以看出，3D-MN Co3O4呈三維連通特征，且碳基體的移除可獲得豐富的介孔結(jié)構(gòu)。由圖2d亦可看出，該三維網(wǎng)絡(luò)是由尺寸在5-10 nm的小顆粒組成，這一納米尺寸有利于鋰離子的嵌入與脫出。

作為LIB的負(fù)極材料，3D-MN Co3O4在0.2 A?g-1的電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的鋰存儲(chǔ)能力（圖3）。初始放電和充電比容量分別為800和545 m?h?g-1。經(jīng)歷初始20個(gè)循環(huán)的衰退后，儲(chǔ)鋰性能被激活，在經(jīng)過200次循環(huán)后，放電和充電比容量分別增加到957和924 m?h?g-1，實(shí)現(xiàn)了170％的容量保持率。更為重要的是，該方法被證實(shí)同樣可應(yīng)用于其他TMO材料的制備，包括Fe2O3、ZnO、Mn3O4、NiCo2O4和FeCoO2。

納米片誘導(dǎo)法制備三維Co3O4介孔網(wǎng)絡(luò)作為高性能的鋰離子電池負(fù)極材料具有三個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）高比表面積改善電極/電解質(zhì)的界面，并提供有效的電荷輸送路徑；（2）豐富的介孔不僅提高了質(zhì)量運(yùn)輸效率，而且減輕了體積膨脹；（3）納米顆粒促進(jìn)了鋰離子的擴(kuò)散。同時(shí)，該方法也為其他金屬氧化物的制備提供了新的思路。這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是天津大學(xué)的博士研究生朱杉。

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