方少明教授&侴术雷研究员AEM：将超薄二维超晶格限制在中孔空心球中可提供超快和高容量的钠离子存储- 大数跨境

首页

方少明教授&侴术雷研究员AEM：将超薄二维超晶格限制在中孔空心球中可提供超快和高容量的钠离子存储

科学材料站

2020-08-20

导读：本文构建了在中孔TiO2@C空心纳米球内部排列的二维超晶格的片内层级纳米结构。2D UN由有序的交替的二氧化钛单层和碳层组成，可提供电子和Na离子的快速传输以及丰富的2D异质界面活性位，提供高容量和快

点击科学材料站,关注我们

第一作者：Qingbing Xia

通讯作者：方少明* 侴术雷*

单位：郑州轻工业大学，澳大利亚伍伦贡大学

研究背景

由于钠的广泛分布和自然丰度资源，钠离子电池（SIB）作为锂离子电池的低成本替代品前景广阔。

然而，对于大多数电极材料来说，较大的离子半径和不同的Na+负电性会带来关键问题，例如低可逆容量，反应动力学缓慢和体积变化大，这仍然是设计对SIB具有稳定性能的电极的严峻挑战。关于阳极，许多主体候选物，可以通过多电子反应获得高比容量，但要牺牲大体积膨胀，通常会使电极粉化并弥补了电池性能的下降。

通过插层式电化学过程进行的电荷存储可最大程度地减少体积变化，这对于实现长期稳定的循环至关重要。二氧化钛是一种基于插层化学的优选阳极，因为它的特点是成本效益，高电化学稳定性，相对于Na/Na+的工作电压低以及在充电和放电时结构上的微小变化。然而，低电导率和源自其半导体性质的缓慢的固态Na+扩散率导致缓慢的电化学动力学，导致容量快速下降，速率增加，在高电流密度下循环稳定性较差。因此如何改善上述问题仍然是一个艰巨的挑战。

文章简介

近日，郑州轻工业大学方少明教授和澳大利亚伍伦贡大学侴术雷研究员在国际顶级期刊Advanced Energy Materials(影响因子：24.884) 上发表题为“Confining Ultrathin 2D Superlattices in Mesoporous Hollow Spheres Renders Ultrafast and High‐Capacity Na‐Ion Storage”的研究工作。

该工作通过构造了在介孔TiO2@C空心纳米球内部垂直排列的二维二氧化钛-碳超晶格的片中球纳米结构。在这种设计中，超薄2D超晶格由二氧化钛和碳的有序交替单层组成，从而为电子和Na+离子的快速传输提供了互穿的途径，并为Na+储存提供了2D异质界面。动力学分析表明，二维异质界面和介孔率的组合会导致插层伪电容电荷存储机制，从而触发超快的胶粘动力学。

原位透射电子显微镜成像和原位同步加速器X射线衍射技术阐明了片内球形结构可以保持机械和晶体学结构稳定性，从而产生了非凡的高倍率性能，显着的稳定循环以及低的容量衰减比。在0.2 C的500个循环中，每循环0.04％，并且在50 C的情况下在20 000循环中具有极高的长期循环能力。这项研究提供了一种通过设计分层结构来实现高功率密度和长期循环能力的电池的方法纳米结构。

该文章第一作者为Qingbing Xia

方少明教授和侴术雷研究员为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：合成基于二氧化钛的纳米结构的流程及表征

图1. 合成基于二氧化钛的纳米结构的示意图。

a–c）设计的2D UNs⊂TC，2D UNs⊂MT@ C和MT@C的SEM图像。

要点二：2D UNs⊂MT@C得益于介孔纳米球构型中独特的2D超晶格，性能大大提高

图2.

a–c）STEM图像

d）2D UNs⊂TC，2D UNs⊂MT@C和MT@C的氮吸附-解吸等温线和孔径分布（插图）。

e，f）2D UNs⊂MT@C的HAADF图像和相应的EDS元素映射。

g）HAADF图像和

h）中孔壳的选定区域衍射图（SAED）。

i）高分辨率STEM图像，以及

j）HAADF图像和壳中纳米晶体的相应FFT模式（插图j–1）。

k）二维UNs的平面，

l）和m）截面STEM图像。

n）单个纳米片的横截面HAADF图像。

要点三：2D UNs⊂MT@ C的拥有独特纳米结构，对于重复的Na+插入/提取保持结构完整性

图3. 2D UNs⊂MT@ C的原位TEM表征。

a–c）沉积和d–f）退化的时移TEM图像。

g）结构参数的变化，以及

h，i）测试之前和消灭之后的状态的SAED模式。

图4. 2DUNs⊂MT@ C的原位SXRD表征。

a）原位SXRD模式（左）和相应的放电/充电曲线（右）。

b–d）（101），（004）和（200）峰的强度图。

结论

总而言之，我们构建了在中孔TiO2@C空心纳米球内部排列的二维超晶格的片内层级纳米结构。2D UN由有序的交替的二氧化钛单层和碳层组成，可提供电子和Na+离子的快速传输以及丰富的2D异质界面活性位，从而提供了非凡的高容量和快速动力学，并具有高达50 C的超高倍率能力。

insphere纳米配置显示出强大的机械稳定性和结构完整性，确保了在50 C的超高电流密度下进行20 000次循环时具有出色的长期循环性。我们预计，sheet-insphere的这种设计理念可以为快速充电电池的智能纳米工程电极铺平道路。

文章链接:

Confining Ultrathin 2D Superlattices in Mesoporous Hollow Spheres Renders Ultrafast and High‐Capacity Na‐Ion Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001033

通讯作者简介:

方少明，博士，教授，博士生导师，主要从事功能材料、材料物理与化学等领域的研究。现为郑州轻工业学院副校长、国家级特色专业“高分子材料与工程”负责人、河南省表界面科学重点实验室主任、教育部“多尺度复合材料”重点实验室培育基地负责人、教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队带头人、河南省一级重点学科“化学工程与技术”学科带头人，先后主持承担教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队1项，国家自然科学基金4项，主持完成河南省重大科技攻等省部级以上科研项目10多项；获得河南省科技进步一等奖2项、二等奖4项；获河南省高等教育教学成果一等奖1项；在Coord. Chem. Rev. , J. Mater.Chem. B , Inorg. Chem.等学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，影响因子3.0以上的40多篇；主编学术著作3部；授权发明专利10多项。获得国务院政府特殊津贴专家、全国优秀科技工作者、河南省优秀专家、河南省教学名师等荣誉称号。

侴术雷（Shulei Chou），澳大利亚伍伦贡大学超导与电子研究所教授。2003和2007年于南开大学分获学士和硕士学位，2010年毕业于澳大利亚伍伦贡大学获博士学位。主要从事新能源材料的研发。已在Science, Nature Chemistry, Nature Communications, JACS, Angew Chem, Advanced Materials, Nano Letters, 等权威刊物上发表文章200余篇，文章被他引超过12000次，h因子超过57。获得2018和2019年Clarivate Analytics全球高被引学者。