罗维教授/余彦教授/李伟教授Nano Lett：氮掺杂介孔碳纳米片原位生长亚纳米氧化锰团簇用于高性能锂硫电池- 大数跨境

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罗维教授/余彦教授/李伟教授Nano Lett：氮掺杂介孔碳纳米片原位生长亚纳米氧化锰团簇用于高性能锂硫电池

科学材料站

2020-12-17

导读：本文提出一种复合硫宿主材料，通过将亚纳米级别的氧化锰团簇原位限制在氮掺杂介孔碳纳米片中来解决这些问题。通过这种设计为改善Li−S电池的电化学性能铺平了道路，从而获得所需的结构、性能以及功能。

文章信息

氮掺杂介孔碳纳米片中的亚纳米氧化锰团簇用于高性能锂硫电池

第一作者：邱鹏鹏，姚雨

通讯作者：罗维*，余彦*，李伟*

单位：东华大学，中国科学技术大学，复旦大学，中山大学，上海同步辐射光源，中国科学院上海应用物理研究所，中国科学院物理研究所

研究背景

锂硫（Li-S）电池由于具有高的理论比容量（1675 mAh g-1）、低成本和环境友好性等优点，引起了研究人员的极大关注。然而，其正极材料的开发仍限制了其实际应用仍面临一些问题，例如硫和硫化锂的电导率低，充/放电过程中体积变化大以及多硫化锂的穿梭效应（LiPs，Li2Sn，3≤n≤8）。将硫封装于介孔碳中，能在很大程度上解决低电导率和体积膨胀的问题，但是非极性碳很难吸附极性的多硫化锂来限制其在电解液中的穿梭效应，从而会导致Li-S电池的电化学性能衰减严重。

本文提出一种复合硫宿主材料，通过将亚纳米级别的氧化锰团簇（MOCs）原位限制在氮掺杂介孔碳纳米片中来解决这些问题。通过这种设计为改善Li−S电池的电化学性能铺平了道路，从而获得所需的结构、性能以及功能。

文章简介

近日，来自东华大学的罗维教授、中科大余彦教授以及复旦大学的李伟教授合作，联合中山大学，上海同步辐射光源，中国科学院上海应用物理研究所，中国科学院物理研究所，在国际著名期刊Nano Letters上发表题为“Sub-nanometric Manganous Oxide Clusters in Nitrogen Doped Mesoporous Carbon Nanosheets for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries”的研究文章。

该文章报道了以聚环氧乙烷嵌段聚苯乙烯（PEO-b-PS）为模板，多巴胺（DA）为碳前驱体，醋酸锰（MnAC）为金属前驱体，采用单胶束定向界面组装的方法，在氧化石墨烯（GO）两侧各生长一层介孔碳，并原位将亚纳米氧化锰团簇（MOCs）限制于其孔壁之中。通过与硫复合之后，用作锂硫电池的正极，展现出优异的电化学特性。

本文要点

要点一：制备所得到的rGO@mC-MnO-800功能性碳纳米片具有独特的三明治结构。石墨烯两侧各包覆一层有序介孔结构，具有均一的孔径（~18 nm）、高比表面积（~300.9 m2 g−1）和大孔容（~0.57 cm3 g−1）。更重要的是，亚纳米级MOC团簇（~0.8 nm）有序分布在介孔骨架中。

要点二：将S/rGO@mC-MnO-800复合材料应用于锂硫电池，实验结果显示，首次放电容量达到1535.9 mAh g-1，在0.2 A g-1下循环100次后的可逆容量高达990 mAh g-1，在2 A g-1下的循环寿命超过250次，是一种极有前途的电极材料。即使在4.7 mg cm-2的高硫负载量下，电池在0.1 A g-1下也具有2.5 mAh cm-2的高面积容量。

要点三：实验和理论计算结果表明，rGO@mC-MnO-800不仅具有高电导率以及有效的缓冲效应，亚纳米级MOCs对LiPs还具有很强的化学吸附能力，从而大大限制了LiPs的穿梭效应。

文章链接

Sub-nanometric Manganous Oxide Clusters in Nitrogen Doped Mesoporous Carbon Nanosheets for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04322

通讯作者介绍

罗维，东华大学教授、博士生导师

国家优秀青年基金获得者，入选上海市青年拔尖人才、上海市青年科技启明星、上海市“曙光计划”等人才计划项目，获上海市青年五四奖章。在Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊发表多篇研究论文。获教育部自然科学二等奖（第三完成人），兼任《Chinese Chemical Letters》青年编委，中国材料研究学会青年工作委员会理事。主要从事无机多孔材料、先进块体材料等方面的研究工作。

余彦中国科学技术大学教授、博士生导师

国家杰出青年基金获得者，入选英国皇家化学会会士，担任Journal of Power Sources 副主编。主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。目前在Science, Nature Energy, Adv. Mater. 等国际著名期刊上发表论文200余篇，其中包括以以第一或通讯作者发表Adv. Mater. 30篇。SCI他引10000余次，H因子58。入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单。

李伟，复旦大学化学系教授，国家重点研发计划首席科学家

主要从事功能介孔材料的定向合成、功能设计、结构调控及其在能量转化与储存应用方面的研究。已发表SCI论文120余篇，其中以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater. 等期刊上发表论文60余篇，论文总他引12000余次，H因子52，25篇论文入选ESI高被引论文。入选2016年上海市青年拔尖人才、2017年上海市青年科技启明星、2017年上海市东方学者和2018年上海市千人、2019年教育部青年长江学者等。

第一作者介绍

邱鹏鹏，东华大学材料科学与工程学院，青年教师

2017年8月，获得韩国高丽大学博士学位, 之后加入复旦大学赵东元院士课题组从事博士后研究。主要研究内容包括多孔材料的控制合成、结构调控与其在环境、能源领域的应用研究。已发表论文二十余篇，其中包括Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Nano Today等材料和化学类国际顶级期刊。

课题组介绍

罗维教授课题组致力于多孔纳米材料的控制合成、结构调控及其在低温烧结、催化、能量存储与转换等方面的应用研究，

近期主要围绕以下三个研究方向开展工作：

1. 二维介孔材料的可控合成与应用研究。

2. 介孔半导体基和碳基纤维材料的设计合成、性能优化及应用研究。

3. 多孔材料的低温烧结性能研究。

课题组招聘

课题组长期招聘博士后、博士和硕士研究生。