练越博士、张淮浩教授 Small：利用毛细管效应在双缺陷N-Nb2O5-x中构筑传输通道

利用毛细管效应在双缺陷N-Nb₂O_5-x中构筑传输通道

第一作者：练越

通讯作者：张淮浩*

单位：扬州大学

作为低应变、低传输能垒的离子嵌入型材料，五氧化二铌（Nb₂O₅）有待提高的离子传输速率和导电性是其在锂/钠离子储能体系中应用的研究重点。本工作将富含掺杂与空位双重缺陷的Nb₂O₅与贯穿体相的碳管相结合制备出微球复合材料(N-Nb₂O_5-x@CNTs)。贯穿Nb₂O₅微球体相的碳管促进电解液快速浸润微球体相，缩短Li⁺/Na⁺离子的传输路径。

此外，碳管也在一定程度阻碍了电解液与Nb₂O₅的直接接触，抑制了两者间的不可逆反应，增强了材料的循环稳定性。同时，氮掺杂与氧空位双重缺陷也降低了Li⁺/Na⁺在晶格中传输的能量壁垒，提升了离子传输速率。高导电性的碳管和缺陷带来的未匹配电子也增强了材料的电导率。因此，N-Nb₂O_5-x@CNTs在锂钠半电池和锂钠混合电容器中均表现优异的电化学性能。有趣的是，本工作在实验室环境中以工业级原料即可制备出具有优异性能的公斤级材料，因而具有良好的实际应用能力。

在这里，来自扬州大学的练越博士、张淮浩教授在国际知名期刊Small上发表题为“Multidefect N-Nb₂O_5-x@CNTs Incorporated into Capillary Transport Framework for Li⁺/Na⁺ Storage”的研究文章。

该研究文章在富含氮掺杂和氧空位双重缺陷的Nb₂O₅纳米球中以毛细碳管构筑传输通道，加速电解液浸润微球体相。在晶格缺陷和毛细碳管的双重加持下，材料在锂/纳电容器中均表现出优异的电化学性能。

要点一：毛细碳管对电解液浸润的促进作用

N-Nb₂O_5-x@CNTs中碳管对电解液的毛细管效应可以使用young-Laplace公式进行模拟分析：

其中，ρ为电解液的密度；g为重力加速度（9.8 m s^-2）；h为受到毛细作用力电解液在碳管中上升的高度；为碳管与电极表面的夹角；为电解液表面张力；α为N-Nb₂O_5-x@CNTs与电解液间的接触角；R为碳管的内径（1.510-8 m，Fig. S）。

以钠离子电解液为研究对象，Na的值分别17.310^-3 mN m^-1。α通过接触角测试（Fig. S）获得，约为27.5°；ρNa大约为~1.3103 kg m^-3；在0 ~ 90°的范围内。因此，计算出hNa=162.5/sin >162.5 m。明显大于碳管的长度，这表明在电解液能够在毛细效应下对碳管内壁进行有效润湿，以此作为高效电解液的传输网络，从而缩短离子的传输路径。

通过XPS和EPR等测试证实了Nb₂O_5-x@CNTs中含有丰富的氮掺杂缺陷和氧空位两种晶格缺陷。两者协同作用被DFT计算证实优于单种缺陷，n掺杂和O空位结构的态密度，证明了它们的协同作用。其中，n掺杂后引入的杂质能级占据了费米能级，使电子透射更容易，从而提高了材料的电子透射率，降低了材料的扩散能垒。因此，氧空位和n掺杂缺陷协同增强了Nb₂O₅的电化学性能。

相互缠绕的碳管降低了体相中Nb₂O₅与电解液的直接接触面积，即碳管在一定程度充当了固液离子交换界面，抑制了部分不可逆反应的发生。就其CV曲线而言，N-Nb₂O_5-x@CNTs半电池在前三次循环中出现一定的电容损失，这归因于初次充放电时固液界面处电解液的分解及其与氧化铌间的不可逆反应。N-Nb₂O_5-x@CNTs在第三次充放电反应中达到稳定，与第四次CV曲线具有较高的吻合度。

其电容的稳定性在一定程度上来源于碳管对Nb₂O₅的保护，降低了其与电解液的直接接触面积，抑制了部分不可逆反应。此外，在高电流速率下高导电性的碳管仍允许Li⁺离子保持优异的传输动力学，且碳管的中空结构也促进电解液在微球体相中快速传输，确保了电子与离子的同步传输。

利用工业级原料可以在实验室条件下制备出公斤级的微球复合材料，具有实际应用的潜力。

Multidefect N-Nb₂O_5-x@CNTs Incorporated into Capillary Transport Framework for Li⁺/Na⁺ Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201450

练越  博士

扬州大学在校博士，主要从事离子电容器、电容吸附等方面的研究，以第一作者在Small、Desalination、Journal of Power Sources、Journal of Colloid and Interface Science等期刊上发表研究性论文9篇。

张淮浩   教授，博士研究生导师，现任职于扬州大学化学化工学院。

主要研究方向为电化学储能、化工分离。已发表SCI文章50余篇，获授权专利10余项。