于乐教授、楼雄文教授，AM观点：嵌入亲锌铜纳米盒的氮掺杂碳纤维实现稳定的锌负极- 大数跨境

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于乐教授、楼雄文教授，AM观点：嵌入亲锌铜纳米盒的氮掺杂碳纤维实现稳定的锌负极

科学材料站

2022-03-08

导读：该论文开发了一种三维杂化多功能主体，其由Cu纳米盒嵌入的氮掺杂的碳纤维组成（Cu NBs@NCFs），可实现锌负极的无枝晶沉积，并提高锌负极的库伦效率和循环寿命。

文章信息

嵌入亲锌铜纳米盒的氮掺杂碳纤维实现稳定的锌负极

第一作者：曾银香

通讯作者：于乐*，楼雄文*

单位：新加坡南洋理工大学，北京化工大学，哈尔滨师范大学

研究背景

金属锌因具有资源丰富，环境友好，高理论容量（820 mAh g^-1，5855 mAh cm^-3），低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）等优点，成为构建高性能水系二次电池的负极材料的理想选择。然而，锌负极的实际应用严重受限于其较差的循环稳定性和低库伦效率，主要源于不可控的锌枝晶生长，不利的副反应和电解液消耗。

为了解决这些问题，科学界已经提出了几种鼓舞人心的策略，例如构建三维主体，调控界面功能层，和改善兼容性电解液。在这些可行的方法中，构建三维多孔主体可以降低局部电流密度和缓解体积膨胀，进而有效抑制枝晶生长。此外，引入亲锌物质可提高三维主体与锌离子的界面相互作用，进一步调控锌离子的成核和沉积，提高锌负极的循环寿命。

文章简介

本文中，来自南洋理工大学的楼雄文教授与北京化工大学的于乐教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Nitrogen-Doped Carbon Fibers Embedded with Zincophilic Cu Nanoboxes for Stable Zn Metal Anodes”的研究文章。

该论文开发了一种三维杂化多功能主体，其由Cu纳米盒嵌入的氮掺杂的碳纤维组成（Cu NBs@NCFs），可实现锌负极的无枝晶沉积，并提高锌负极的库伦效率和循环寿命。

图1. (a) Cu NBs@NCFs的合成示意图。(b) CuS NBs@PAN的FESEM图像。Cu NBs@NCFs的 (c,d) FESEM图像；(e,f) TEM图像；(g) 暗场TEM图像和EDX Mapping图像。

本文要点

要点一：Cu NBs@NCFs的制备和特性

研究人员通过精心设计的多步模板策略来合成Cu NBs@NCFs。以Cu₂O纳米立方体为模板，通过硫化和刻蚀过程得到CuS NBs。然后，用聚丙烯腈（PAN）对CuS NBs进行静电纺丝，形成CuS NBs@PAN纳米纤维。经过碳化和高温还原处理后，得到了Cu NBs@NCFs。在Cu NBs@NCFs中，三维空心碳骨架不仅可以降低局部电流密度和缓解体积膨胀，而且空心内部可以为起始的锌沉积提供空间。

实验结果表明，三维碳主体和Cu均可以有效降低锌成核过电势，且在锌沉积过程中形成Cu-Zn固溶体。理论计算结果显示Cu和Cu-Zn固溶体都是亲锌物质，对锌离子有较强的吸附能力和相互作用。因此，Cu NBs@NCFs主体可以降低锌的成核能垒，调控锌离子的均匀沉积。

图2. (a) 多种主体的锌成核过电势。(b) Cu NBs@NCFs-Zn的XRD图谱。(c) 多种主体沉积锌后的XRD图谱。(d) 与锌的结合能。(e) 界面电荷密度图。Cu NBs@NCFs沉积(f) 2 mAh cm^-2；(g) 8 mAh cm^-2 锌后的FESEM图。(h) NCFs沉积8 mAh cm^-2锌后的FESEM图。

要点二：锌负极和全电池的电化学性能

实验结果表明，Cu NBs@NCFs主体可实现高度可逆的无枝晶锌沉积/溶解，在5 mA cm^-2电流密度下可稳定循环1000次。制备的Cu NBs@NCFs-Zn电极在对称电池中具有超过450小时的长期循环寿命（2 mA cm^-2，1 mAh cm^-2），且过电位较低。由Cu NBs@NCFs-Zn负极与Mn₂O_3-ZnMn₂O₄正极组装的水系锌离子电池表现出良好的倍率性能和优异的循环稳定性（2000次循环）。

图3. (a) 多种主体沉积/溶解锌的库伦效率和 (b) 第五圈的锌沉积/溶解曲线。(c) 循环伏安曲线。基于复合锌电极的对称电池的循环寿命 (d) 2 mA cm^-2；1 mAh cm^-2；(e) 5 mA cm^-2；2 mAh cm^-2。

文章链接

Nitrogen-Doped Carbon Fibers Embedded with Zincophilic Cu Nanoboxes for Stable Zn Metal Anodes

https://doi.org/10.1002/adma.202200342

通讯作者简介

于乐教授 2008年本科毕业于山东大学，2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学，师从楼雄文教授。2018年加入北京化工大学，现为化学工程学院教授。

长期从事新型微纳米结构功能材料设计与合成，电化学储能材料及器件，新型电化学催化剂及转能技术等方向的研究工作。

近年以第一作者/共同一作/通讯作者身份在Science Advances、Nature Communications、Chem、Joule、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等国际学术期刊上发表论文40余篇。以共同作者身份共发表SCI论文总数80余篇，其中48篇ESI高被引论文，SCI总引用21000余次，H-index为70。2018年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)交叉学科领域全球“高被引科学家”。2019-2021连续三年入选科睿唯安全球高引科学家名单(化学、材料科学双领域)。现任Energy & Environmental Materials、Green Energy & Environment、《物理化学学报》、《稀有金属》青年编委、《山东化工》编委。

楼雄文 教授先后于2002和2004年在新加坡国立大学获得一级荣誉学士学位和硕士学位，2008年在美国康奈尔大学获得化学与生物分子工程专业博士学位，并因其出色的工作被授予Austin Hooey奖金和刘氏纪念奖，现为南洋理工大学化学与生物医学工程学院Cheng Tsang Man能源讲席教授。

楼雄文教授专注于新能源材料与器件研究并取得了卓越的研究成果，于2017年入选英国皇家化学会会士Fellow of Royal Society of Chemistry (FRSC)、2013年获得世界文化理事会特别荣誉奖World Cultural Council (WCC) special recognition award、同年获得十五届亚洲化学大会—亚洲新星、2012年获得新加坡国家科学院—青年科学家奖等。2015年获新加坡国立研究基金会研究员项目Singapore National Research Foundation (NRF) Investigatorship。

连续八年（2014-2021）入选汤森路透/科睿唯安高被引学者。楼雄文教授现担任Journal of Materials Chemistry A 副编辑，Science Advances副主编，Small Methods, Chemical Science, Nano Letters 等杂志编委。楼雄文教授在包括如Science (2篇)、Nature Energy (1篇)、Science Advances (14篇)、Chem (4 篇)、Joule (5 篇)、Nature Communications (6篇)、Journal of the American Chemical Society (17篇)、Angewandte Chemie-International Edition (75篇)、Advanced Materials (59篇)、Energy & Environmental Science (34篇)、Advanced Energy Materials (20篇)、Advanced Functional Materials (13篇) 等国际顶级期刊发表论文360余篇，累计引用次数超过97000次（> 108000，谷歌学术），H指数高达186（194，谷歌学术）。

课题组介绍

https://personal.ntu.edu.sg/xwlou/