广州能源所杨改秀研究员，广工大张文礼教授， Nano Energy：从宏观到微观：生物质衍生碳微管的组装及其储钠性能研究- 大数跨境

首页

广州能源所杨改秀研究员，广工大张文礼教授， Nano Energy：从宏观到微观：生物质衍生碳微管的组装及其储钠性能研究

科学材料站

2024-04-11

导读：广州能源所杨改秀研究员，广工大张文礼教授， Nano Energy：从宏观到微观：生物质衍生碳微管的组装及其储钠性能研究

文章信息

从宏观到微观：生物质衍生碳微管的组装及其储钠性能研究

第一作者：杨慧，尹健

通讯作者：张文礼*，杨改秀*

单位：广东工业大学，广州能源所

研究背景

能源转换和储存的发展对规模化储能系统提出了能量密度和功率密度等方面的多样化需求。钠离子电池（SIB）是极具发展前景的规模化储能技术。硬碳是一种最具发展前景的负极材料，但其倍率性能相对较差。碳管具有开放式的一维骨架结构，能够提供快速的电子和离子传输通道，能够有效提升钠离子电池负极的倍率性能。本文以原生生物质为原料制备了一种可用于高倍率钠离子电池负极的N，Fe共掺杂碳微米管（NF-CMTs）。通过N和Fe的催化热解实现了由宏观原生生物质到微观碳微管的转变。开放式的碳骨架结构有效提升电容控制的容量贡献，而N-Fe掺杂为钠离子的快速存储提供了缺陷吸附活性位点。NF-CMTs与商业硬碳材料相比表现显著提升的比容量、倍率和循环稳定性。这项工作提供了一种由宏观原生生物质到高效储钠微观碳微管的低成本制备策略。

文章简介

来自广州能源所的杨改秀研究员和广东工业大学张文礼教授合作，在Nano Energy期刊上发表题为“From Macro to Micro: Biomass-Derived Advanced Carbon Microtube Assembly for Sodium-ion Batteries”的文章。该文章开发了一种将宏观生物质转化为碳微米管（NF-CMTs）的制备方法。通过N和Fe催化热解实现了从宏观生物质到微观碳管的转变。开放式碳骨架和N-Fe缺陷为高倍率储钠提供了开放的离子传输通道和吸附活性位点。

图1. N和Fe催化热解实现了从宏观生物质到微观碳管的转变，以及开放碳骨架对储钠性能的提升。

本文要点

要点一：宏观生物质到微观碳微管的制备

通过N和Fe的催化热解将宏观生物质直接转化为微观NF-CMTs。所制备的NF-CMTs长度为15-60 μm，直径为1-5 μm。碳微管的端口呈现开放结构，有利于电子传输和离子扩散。管壁弯曲且有褶皱，对应于大量缺陷。相比之下，在相同条件下制备的碳材料没有添加Fe或N前驱体，没有表现出管状结构。因此，Fe和N的共催化促成碳微管结构的形成，其管壁由多层交叉石墨碳结构组成。管壁上可以观察到各种缺陷结构，如无序、弯曲和结等结构，这为钠离子的快速扩散提供通道。碳微管表面均匀分布的N和Fe原子有利于吸附钠离子。NF-CMTs由sp2/sp3杂化C组成。高浓度的sp2杂化C有助于高度石墨化的骨架，从而产生良好的导电性。其表面负载的吡啶N和石墨N是钠离子的吸附活性位点。

要点二：N-Fe缺陷的储钠机理

采用密度泛函理论（DFT）计算研究了纯CMTs（P-CMTs）和NF-CMTs的储钠特性。P-CMTs在费米能级具有低态密度。相比之下，NF-CMTs中Fe原子的掺杂导致d轨道在费米能级上DOS的突出峰。费米能级上显著提升的DOS使NF-CMTs的电子导电性得到改善。NF-CMTs的高电导率有利于高倍率的钠离子存储。吸附能计算表明N-Fe缺陷结构对钠离子的储存和快速迁移有提升作用。

要点三：碳微管的高倍率储钠行为

电化学测试表明NF-CMTs和C-HC在赝吸附区经历了不同的钠离子储存过程。NF-CMTs具有较多的表面缺陷和增强的导电性，可以促进钠离子的迁移。通过比较扩散控制过程发现，C-HC负极的Na离子存储过程完全受扩散控制，而NF-CMTs负极以赝电容吸附控制储存为主导。

NF-CMTs在0.05 A g⁻¹电流密度下的首次可逆比容量为316.4 mAh g⁻¹，远高于C-HC的可逆容量为264.2 mAh g⁻¹。NF-CMTs在0.2和2.0 A g^-1电流密度下分别表现出250和120 mAh g^-1的高比容量，远高于C-HC的110和45 mAh g^-1。证明了NF-CMTs较高的倍率性能。此外，NF-CMTs负极展现了良好的循环稳定性，这归功于其一维开放的稳定管状结构。而商业C-HC负极在700次循环后因结构塌陷而失效。

要点四：前瞻

我们开发了一种将宏观生物质转化为碳微米管（NF-CMTs）的制备方法。通过N和Fe催化热解实现了从宏观生物质到微观碳管的转变。开放式碳骨架可提升电容控制的容量贡献，而N-Fe缺陷为高倍率储钠提供了吸附活性位点。NF-CMTs与商业硬碳材料相比表现显著提升的比容量、倍率和循环稳定性。

文章链接

From Macro to Micro: Biomass-Derived Advanced Carbon Microtube Assembly for Sodium-ion Batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524003392

通讯作者简介

杨改秀研究员简介：博士，研究员，主要从事生物质/有机固废热解制备炭材料调控研究，主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、江西省重点研发、中科院先导专项等项目15项；发表SCI/EI论文75篇，其中以第一或通讯作者在Nano energy、Chem. Eng. J.等领域重要期刊上发表SCI论文38篇，授权发明专利12项。参编“Microbial Energy Conversion”等中英文专著5部。先后入选中国科协“2022年度科技智库青年人才计划”，中国科学院“青年创新促进会”会员，并获“循环经济科技创新青年突出贡献奖”、广东省农业技术推广奖一等奖等荣誉。担任Biochar等领域内重要期刊的青年编委，担任多场国内外领域内重要会议的分会场主席并做邀请报告。

张文礼教授简介：博士，教授，博士生导师，广东工业大学“百人计划”特聘教授，主要从事木质纤维素基碳电极材料开发及其工业应用的研究，在Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Science, ACS Nano, Nano Energy, Energy Storage Materials, Small Methods, Eelectrochemical Energy Reviews, Carbon Research和EnergyChem等期刊发表学术论文150余篇，其中ESI高被引论文10余篇，被引用8000余次，Google Scholar h指数49。