桂工卢锋奇博士JES：拓扑还原引入氧空位提高介孔纳米片铌酸钛储锂性能

拓扑还原引入氧空位提高介孔纳米片铌酸钛储锂性能

第一作者：陈浩、梁浩

通讯作者：卢锋奇*

单位：桂林理工大学

铌酸钛(TiNb₂O₇)因其适中的工作电压、较高的理论容量和开放的隧道结构，被认为是一种很有前途的负极材料。不幸的是，Ti⁴⁺/Nb⁵⁺空的3d/4d轨道导致TiNb₂O₇具有较低的本征电子电导率，这将导致其电化学性能不理想。目前，针对这一问题，研究者们已开发了多种策略来增强TiNb₂O₇的电化学性能，如纳米化、碳包覆和引入氧缺陷/外来元素等。据报道，拓扑还原法能够选择性地去除材料中的某些阴离子组分，从而获得特定的还原态材料。然而，这种具有潜在优势的制备方法在电极材料领域尚未得到广泛应用。为此，本研究采用溶剂热法结合拓扑还原处理成功合成了一种具有氧空位的新型介孔TiNb₂O₇纳米片，并对其进行了系统研究。

近日，桂林理工大学卢锋奇博士团队在Journal of Energy Storage期刊发表题为“Mesoporous titanium niobate nanosheets with oxygen defects via topology reduction enhancing efficient lithium storage”的研究论文。该论文通过溶剂热反应、热处理和拓扑还原制备了具有氧空位的介孔TiNb₂O₇纳米片(TR-TNO)。研究表明，氧空位的引入显著增强了材料的电子电导率。得益于介孔纳米片结构、氧空位以及Ti³⁺/Ti⁴⁺、Nb³⁺/Nb⁴⁺和Nb⁴⁺/Nb⁵⁺氧化还原电对的协同作用，TR-TNO电极表现出优异的储锂性能，包括优异的倍率性能(20 C时为166 mAh g^-1)和循环性能(在5 C下循环1000次后容量保持率为90%)。此外，原位X射线衍射证实了TR-TNO在锂化和脱锂过程中具有良好的结构稳定性，最大体积变化仅为6%。同时，由商业LiMn₂O₄正极和TR-TNO负极组装的全电池在0.2 C下循环80次后仍表现出202.7 mAh g^-1的可逆容量。在这项工作中，通过拓扑还原引入氧空位的方法为其他氧化物负极材料提供了新的见解。

图1.（a）TR-TNO纳米片的合成过程示意图。（b）TNO和（c）TR-TNO的SEM图。（d）TNO和（e）TR-TNO的TEM图。（f）TR-TNO的HRTEM图。（g）TR-TNO的SAED图。

图2.（a）TNO和TR-TNO的XRD图谱。（b）TR-TNO的Rietveld精修XRD图谱。（c）Nb 3d，（d）Ti 2p，（e）O 1s的高分辨XPS图谱。（f）TNO和TR-TNO的EPR图谱。

图3.（a）TNO和TR-TNO电极在0.2 mV s-1下的CV曲线。（b）TR-TNO电极的GCD曲线。（c）TNO和TR-TNO电极在0.2-20 C下的倍率性能。（d）TR-TNO与先前报道的Nb基负极的倍率性能比较。（e）TNO和TR-TNO电极在5 C下的循环性能。

图4.（a）TNO和TR-TNO电极的GITT曲线及对应的Li+扩散系数。（b）TNO和（c）TR-TNO电极在不同扫速下的CV曲线。（d）TNO和TR-TNO电极的Nyquist图。（e）TNO和（f）TR-TNO电极在不同扫速下的电容贡献。

图5.（a）TNO和（b）TR-TNO在首次循环过程中的原位XRD图谱。（c）TNO和（d）TR-TNO的晶胞参数变化。（e）TR-TNO与先前报道的Nb基负极材料的体积变化比较。TR-TNO电极在不同电压下的（f）Nb 3d和（g）Ti 2p高分辨XPS谱图

图6.（a）LMO//Li、TR-TNO//Li和LMO//TR-TNO电池在0.2 C下的充放电曲线；（b）全电池LMO//TR-TNO在0.2 C下的循环性能。（c）介孔TR-TNO样品中锂离子和电子的传输路径图。

Mesoporous titanium niobate nanosheets with oxygen defects via topology reduction enhancing efficient lithium storage

https://doi.org/10.1016/j.est.2025.117368

卢锋奇博士，现为桂林理工大学材料科学与工程学院副研究员，硕士研究生导师。目前主要研究方向为铌基氧化物以及聚阴离子结构电极材料的调控与合成、结构解析及储能性能研究。截止目前以一作/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Carbon、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Energy Storage等期刊发表多篇学术论文。

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