南京航空航天大学王涛副教授课题组 AFM：二茂铁基镍金属有机框架纳米片作为Li-CO2电池的高效、长循环正极催化剂- 大数跨境

首页

南京航空航天大学王涛副教授课题组 AFM：二茂铁基镍金属有机框架纳米片作为Li-CO2电池的高效、长循环正极催化剂

科学材料站

2024-11-22

导读：南京航空航天大学王涛副教授课题组 AFM：二茂铁基镍金属有机框架纳米片作为Li-CO2电池的高效、长循环正极催化剂

科学材料站

文章信息

二茂铁基镍金属有机框架纳米片作为Li-CO₂电池的高效、长循环正极催化剂

第一作者：陈海霞，李西娟

通讯作者：王涛

单位：南京航空航天大学，Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (IRCELYON)

科学材料站

研究背景

Li-CO₂电池因其能量密度高(1876 Wh kg^-1)，显著的能量转换和储存能力而受到更多关注，在火星探测、海底探测以及作为一种新型二次电池的应用方面前景广阔，且Li-CO₂电池被视为实现“双碳”目标的一种新策略。然而，宽带隙放电产物Li₂CO₃分解困难以及电池氧化还原过程动力学缓慢，导致电池充放电极化大，循环寿命差等多种问题频发，严重限制了Li-CO₂电池的实际应用和商业发展。而当前对于Li-CO₂电池高效催化正极的开发和电化学机理的认识还缺乏足够的研究，影响了其进一步的使用。因此，设计高效Li-CO₂电池正极催化剂以及深入探究其电化学反应机理值得更多研究者们的关注。

科学材料站

文章简介

近日，南京航空航天大学的王涛副研究员团队课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ferrocene-Based Nickel Metal–Organic Framework Nanosheets as Efficient, Long-Cycle Cathode Catalyst for Li-CO₂Battery”的观点文章。该研究通过一锅溶剂热合成了Ni-Fc纳米片作为Li-CO₂电池正极催化剂。基于Ni-Fc的电池在100 mA g^-1的条件下放电容量高达18636 mAh g^-1，在200 mA g^-1的条件下循环寿命超过2000小时。在相同条件下合成的Cu-Fc和Co-Fc进行了比较，Ni-Fc在Li-CO₂电池充放电过程中表现出更优越的催化活性。二茂铁基金属有机框架材料催化剂的设计为开发用于Li-CO₂电池正极的高效催化剂和推进其工业应用引入了新的概念。

图1. (a) Ni-Fc催化剂Li-CO₂电池工作原理图; (b, c) Ni-Fc SEM图像；(d, e) TEM图像；(f) STEM图像; (g)相应的C、Fe、Ni、Cu的EDS mapping图像。

科学材料站

本文要点

要点一：Ni-O活性位点成功构筑作为催化中心

为了进一步了解 Ni-Fc 材料的化学状态和配位环境，利用 X 射线吸收精细结构技术对 Ni-Fc 进行了分析，发现金属镍与二茂铁单元中的羧基O配位，形成了丰富的Ni-O催化活性中心。

图2. Ni-Fc的XAFS分析。(a) XANES光谱；(b) k边EXAFS光谱；(c) EXAFS的R边实验结果；(d) Ni-Fc的WT-EXAFS图；与(e) NiO和 (f) Ni箔样品进行比较。

要点二：高效电催化性能

该研究以Fc为基底，引入金属镍构成Ni-O活性位点，作为Li-CO₂电池的催化中心，实现了更稳定、更高容量的电池。Ni-Fc纳米片在电流密度为100 mA g⁻¹时，放电容量高达18636 mAh g⁻¹，200 mA g⁻¹电流密度下能稳定循环超过2000 h。且以Cu-Fc，Co-Fc作为对比样的电池不能表现出Ni-Fc同样优异的性能，表明Ni的引入加速了电池充放电反应的动力学，从而获得了优异的电化学性能。

图3. Ni-Fc、Cu-Fc和Co-Fc在定容量为1000 mAh g⁻¹的Li-CO₂电池中的电化学性能。(a) 在Ar和CO₂气氛下扫描速率为0.1 mV s⁻¹的CV曲线；(b) Ni-Fc、Cu-Fc和Co-Fc在100 mA g⁻¹下的完全充放电容量；(c) Ni-Fc在200 mA g⁻¹下的循环性能，(d) 倍率性能；(e) Ni-Fc、Cu-Fc和Co-Fc电池在100到2000 mA g⁻¹电流密度下的过电位；(f) Ni-Fc与已报道的高性能Li-CO₂电池催化剂性能比较；(g)Ni-Fc在200 mA g⁻¹下的电压/时间曲线。

要点三：DFT理论计算证明Ni-Fc与 Li-CO₂电池放电过程中间体的相互作用提高电池电化学性能

在 DFT 计算中，研究阐述了Ni-Fc与Li-CO₂电池放电过程中的中间产物LiCO₂* ，LiCO3* 有更强的相互作用，从而促进了放电过程和电池的稳定运行。另一方面，作为电子传递介质的Fc单元和特殊的二维纳米片结构促进了 CO₂和电子的传递，提高了 CO₂还原和氧化反应的催化活性，降低了放电产物的分解障碍。

图4. (a–f) Li-CO₂电池放电过程中在Ni-Fc模型上的优化结构及中间体吸附；(g) Ni-Fc、Cu-Fc和Co-Fc模型放电过程的反应自由能图。

科学材料站

文章链接

Ferrocene-Based Nickel Metal–Organic Framework Nanosheets as Eﬃcient, Long-Cycle Cathode Catalyst forLi-CO₂Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202412387

科学材料站

通讯作者简介

王涛，南京航空航天大学材料科学与技术学院副研究员。2006年于南京林业大学获得学士学位；2009年和2012年于南京航空航天大学分别获得硕士和博士学位。2013年至2015年，日本国立物质材料研究所博士后。长期从事新能源材料的结构设计与制备方面的研究，致力于开发适用于太阳能利用、燃料电池、锂空气电池等潜在的新型纳米功能材料。近年来发表SCI收录论文160余篇，被引用8900余次，H指数48。获授权发明专利9件。担任Journal of Photocatalysis和General Chemistry的编委，Molecules和Frontiers In Chemistry的客座编辑。