广州大学牛利教授团队，Small：富氮多孔碳纤维包覆多分散Bi纳米颗粒实现高效水系碱性电池负极- 大数跨境

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广州大学牛利教授团队，Small：富氮多孔碳纤维包覆多分散Bi纳米颗粒实现高效水系碱性电池负极

科学材料站

2021-12-13

导读：本文通过静电纺丝和高温煅烧过程成功地将高度分散的超小Bi纳米颗粒包裹在富氮多空纳米碳纤维中得到高性能水系碱性电池负极材料

文章信息

富氮多孔碳纤维包覆多分散Bi纳米颗粒实现高效水系碱性电池负极

第一作者：周凯

通讯作者：包宇*，牛利*

单位：广州大学

研究背景

储能装置在间歇性可再生能源的利用中发挥着关键作用，使用电化学储能的可充电电池在该领域受到了极大的关注。其中，水性碱性可充电电池由于具有高导电性、低价格和高安全性等优点，被认为是电化学储能装置的重要选择之一。

然而，尽管众多研究对水系碱性电池的正极材料给予了最多的关注，但负极材料的发展受到限制。虽然具有高理论容量的锌金属被认为是水系碱性电池的理想的负极材料，但是在碱性电解液中的锌金属阳极不可避免地受到枝晶生长和强腐蚀的影响。

此外，铁或氧化铁也被作为水系碱性电池的负极材料，但是容量低，导电性差。因此，开发出新的高性能水系碱性电池的负极材料对于实现水系碱性电池的实际应用具有十分重要的意义。

文章简介

基于此，广州大学牛利教授带领的分析科学技术研究中心团队在国际知名期刊Small上发表题为“Bismuth Nanoparticles Encapsulated in Nitrogen-Rich Porous Carbon Nanofibers as a High-Performance Anode for Aqueous Alkaline Rechargeable Batteries”的研究论文。

作者通过静电纺丝和高温煅烧过程成功地将高度分散的超小Bi纳米颗粒包裹在富氮多空纳米碳纤维中（Bi@NPCF）得到高性能水系碱性电池负极材料。通过调整静电纺丝溶液中二氰二胺的含量可以得到不同氮含量的碳纤维包覆Bi纳米颗粒结构，证明了外层碳壳中的N掺杂结构与Bi纳米颗粒核之间的相互作用提高了电极材料的容量。

此外，在碳基体中具有高度分散的超小Bi纳米颗粒（<20 nm）的核结构在电极的循环稳定性方面起着至关重要的作用。电化学测试显示Bi@NPCF在3 A g^-1时比容量可以达到196.1 mAh g^-1和超长的循环稳定性（在20 A g^-1时经10 000 次循环后容量保留了116.95%）。

图1. Bi@NPCF的合成示意图

本文要点

要点一：高度分散的超小Bi纳米粒子（<20 nm）包裹在富氮多孔碳纤维中

图2. Bi@NPCF的形貌和晶体结构表征

要点二：富氮掺杂可以提高多孔碳壳与Bi纳米颗粒核间相互作用

通过调整静电纺丝溶液中二氰二胺的含量可以得到不同氮含量的碳纤维包覆Bi纳米颗粒结构：Bi@NPCF-L, Bi@NPCF, Bi@NPCF-H。随着二氰二胺含量的增加，电极材料的比表面积增大，核外碳壳存在更多的缺陷结构，Bi纳米核与外层碳壳的相互作用增强。

图3. Bi@NPCF的结构表征

要点三：Bi@NPCF表现出优异的水系碱性电池负极性能

具有更高的氮掺杂含量的Bi@NPCF和Bi@NPCF-H都要比低含量氮掺杂的Bi@NPCF-L显示出更高的比容量。而且具有高度分散的超小Bi纳米颗粒（<20 nm）的核结构的Bi@NPCF相较于具有更大比表面积和孔隙结构的Bi@NPCF-H表现出更长时间的循环稳定性。

图4. Bi@NPCF的电化学性能表征

要点四：具有高性能的Bi@NPCF//NiCo2O4水系碱性电池

图5. Bi@NPCF//NiCo2O4水系碱性电池的电化学性能表征

文章链接

Bismuth Nanoparticles Encapsulated in Nitrogen-Rich Porous Carbon Nanofibers as a High-Performance Anode for Aqueous Alkaline Rechargeable Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202105770

通讯作者简介

牛利教授

广州大学教授，国家杰出青年科学基金、中国科学院“百人计划”、国家“万人计划”领军人才、国务院政府特殊津贴、国家科技部“中青年科技创新领军人才”等；主要研究领域包括纳米结构复合材料的设计构建、界面电子转移机制研究、原位光谱电化学分析技术及分析仪器化设计等方面。围绕相关领域多年来其科学研究涉及多个学科交叉，从催化化学到高分子材料化学，从化学修饰电极到界面电化学，从电化学传感工艺到分析仪器化设计，从柔性电子学到生物医学应用等，有着多年的工作积累。近年来在Nature Sustainability，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Anal. Chem.等国内外核心刊物发表SCI论文400余篇，他引 17000 余次，申请国家发明专利 50 余项，其中 30 余项已获授权，出版中英文专著各 1 部，撰写中英文章节 3 章，在国内外学术会议上做大会报告和邀请报告 100 余次。主持及参与多项科技部、国家自然科学基金委、科学院及省市地方企业的科研项目 70 余项。

课题组介绍

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http://caas.gzhu.edu.cn/index.htm

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