哈尔滨工业大学陈刚教授Chem. Eng. J.：界面/结构工程协同促进金属硒化物中锂/钠离子存储- 大数跨境

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哈尔滨工业大学陈刚教授Chem. Eng. J.：界面/结构工程协同促进金属硒化物中锂/钠离子存储

科学材料站

2021-04-06

导读：该文章利用双金属有机骨架衍生的硒化策略和金属单质的催化效应合成了分枝结构碳骨架封装CoSe2/ZnSe复合材料（CoSe2/ZnSe@NC-NT/NRs）。

本文要点

界面/结构工程协同促进金属硒化物中锂/钠离子存储

第一作者：孔华彬

通讯作者：吕查德*，陈刚*

单位：哈尔滨工业大学

研究背景

近年来，二次电池作为电能和化学能的存储与转换装置越来越受到人们的广泛关注。二次电池主要是通过电极材料发生的嵌入、转化或合金化反应而实现电化学能量的存储与转换。而高性能电极的设计是实现高能量密度二次电池的关键。相比于嵌入式反应，电极进行转化反应能够实现更高的容量，而相比于合金化反应，转换反应型电极则具有更好的循环稳定性。

因此，转化反应类电极材料在LIBs和SIBs领域的应用得到研究者们的关注。在过去的几年里研究者们已经对转化反应类电极材料进行了诸多探索，其中一些金属氧化物、硫化物和硒化物因较好的电化学性能得到了研究者们的青睐。然而，转化类电极材料在充放电过程中存在较大的体积形变和动力学缓慢的问题，严重影响了其循环寿命和倍率性能。而且由于钠离子相对于锂离子具有更大的离子半径，在SIBs中该类材料的问题变得更为严峻。因此，研发具备高倍率、长循环寿命的LIBs和SIBs负极材料显得尤为重要。

文章简介

基于此，哈尔滨工业大学陈刚教授课题组在国际知名期刊Chem. Eng. J上发表题为“Interface Engineering on Cobalt Selenide Composites Enables Superior Alkali-Ion Storage”的研究文章。

该文章利用双金属有机骨架衍生的硒化策略和金属单质的催化效应合成了分枝结构碳骨架封装CoSe2/ZnSe复合材料（CoSe2/ZnSe@NC-NT/NRs）。应用于锂/钠离子电池中均表现出了优异的循环性能和倍率性能。并通过离子扩散动力学测试结合DFT计算研究其性能提升原因。

Figure 1. Schematic illustration of the synthesis of the CoSe2/ZnSe@NC-NT/NRs

本文要点

要点一：异质界面与分枝结构的构筑

利用金属有机骨架衍生的硒化策略与金属单质的催化效应制备得到分枝结构碳骨架封装ZnSe/CoSe2复合材料。选择ZnSe与CoSe2作为集成组分构建异质结构的原因在于ZnSe与CoSe2之间具有大的带隙差，能够在两相界面处诱导产生更强的内建电场加速离子与电子的迁移行为。

此外，分枝结构碳骨架不仅能够完美解决ZnSe/CoSe2纳米颗粒在离子嵌插过程中的体积形变问题，而且为离子从电解液扩散到体相提供了众多的迁移路径，进一步增强倍率性能。

Figure 2. Microstructure analysis of the CoSe2/ZnSe@NC-NT/NRs: (a) SEM image, (b-d) HRTEM images, (e−g) inverse-FFT images for regions 1, 2 and 3, (h) HAADF-STEM image, (i-m) EDX mapping images

要点二：复合材料中Li+/Na+存储性能的提升

CoSe2/ZnSe@NC-NT/NRs用作锂/钠离子电池负极材料时，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。在锂离子电池中，在5A g-1电流密度下，循环2000圈后容量维持在544 mAh g-1。在20电流密度下，容量仍然高达544 mAh g-1。

在钠离子电池中，在5A g-1电流密度下，循环2000圈后容量维持在382 mAh g-1。在20电流密度下，容量仍然高达249 mAh g-1。此外，通过EIS测试与GITT测试证明了异质界面与分枝结构有利于加速离子在材料中的扩散动力学，增强倍率性能。

要点三：异质界面处离子迁移能垒的降低

采用密度泛函理论计算探究了复合材料中的界面电荷行为。态密度计算证明了复合材料拥有更强的电子离域性，有利于促进电的子输运。

离子迁移能垒计算表明异质界面处诱导产生的内建电场有利于降低离子的迁移能垒，实现快速的反应动力学。

Figure 3. Density functional theory calculations: (a−c) Calculated densities of states of ZnSe, CoSe2 and ZnSe(111)/CoSe2(210), (d−i) Ionic migration path in ZnSe, ZnSe(111)/CoSe2 (210) and CoSe2 with the side view and top view, (j, k) Corresponding migration energy barriers profile of Li+/Na+ in ZnSe, ZnSe(111)/CoSe2(210) and CoSe2。

文章链接

Interface Engineering on Cobalt Selenide Composites Enables Superior Alkali-Ion Storage

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721010779

通讯作者介绍

陈刚，教授/博导。

哈工大本科、硕士毕业，1984年起留校任教，1992年获日本文部省奖学金赴日留学，获博士学位。由于科研成果突出，1996年被晋升为教授，2003年作为哈工大海外留学归国人才引进。在科研方面，主要从事能量转换材料化学领域（太阳能光催化材料、电催化与光电催化、先进电池电极材料等）的研究工作。近年来，作为负责人承担国家自然科学基金5项，黑龙江省自然科学基金重点项目等省、部级科研项目10余项。近5年在《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Mater.》、《Energy Environ. Sci.》、《Nat. Chem.》等杂志上发表SCI论文120余篇，IF>10的60篇，ESI前1%高被引论文16篇，他引逾6000次，H因子=49，获授权国家发明专利29项。2011年获黑龙江省科学技术奖一等奖（自然类，第一完成人），2012年获全国百篇优秀博士学位论文提名奖指导教师、黑龙江省优秀研究生导师。教学方面，作为负责人近年来承担国家级教学项目1项，省级教学项目5项，在核心期刊等杂志上发表教学论文10余篇，2013年获黑龙江省高等教育教学成果奖一等奖（第一完成人）。

吕查德博士。

2018年哈工大博士毕业于陈刚教授课题组，现为新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组Research fellow。目前，主要从事电催化、光催化、新型离子电池等研究工作。近年来以第一作者在《Chem》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Adv. Mater.》等杂志上发表论文10余篇。