吴英鹏/李彦光教授Nano Energy：多功能三氯氧化铋双层纳米片，用于钾电和CO2还原- 大数跨境

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吴英鹏/李彦光教授Nano Energy：多功能三氯氧化铋双层纳米片，用于钾电和CO2还原

科学材料站

2020-05-24

导读：本文通过一种简单而有效的水热法合成了双层Bi12O17Cl2纳米片（BBNs），是钾离子电池（PIB）阳极和CO2还原反应的通用材料。当作为减少CO2还原的电催化剂进行评估时，BBNs表现出令人印象深

非寻常化学计量的三氯氧化铋的双层纳米片，用于钾离子存储和CO2还原

湖南大学，苏州大学

导读

本文通过一种简单而有效的水热法合成了双层Bi₁₂O₁₇Cl₂纳米片（BBNs），一种化学计量比较奇特的氯氧化铋，具有丰富的氧空位（OVs），是钾离子电池（PIB）阳极和CO₂还原反应的通用材料。厚度约为1.5 nm的BBN提供了较大的电极-电解质接触界面，并为K⁺扩散提供了短路径。

重要的是，丰富的OV不仅提供更多的活性位，而且还促进了离子传输和导电性。作为PIB的阳极，它具有很高的初始放电容量（500 mA g^-1时为627.5 mA h g^-1），高倍率性能（10 A g^-1时为420 mA h g^-1）和出色的循环性能（在10 A g^-1下经过1500次循环后达到198 mA h g^-1）。

当作为减少CO₂还原的电催化剂进行评估时，BBNs表现出令人印象深刻的活性，选择性和稳定性（在-0.89 V时，J_HCOO- = 11.5 mA / cm²，法拉第效率> 92％，耐久性> 12 h）。考虑到容易制备，低成本和快速动力学，这种有前途的策略和相关的机会证明了储能或电催化剂的巨大潜力。

关键词

Bi₁₂O₁₇Cl₂纳米片；氧空位缺陷；快速动力学；钾离子电池；CO₂还原反应

背景简介

由于化石能源的储量有限，温室效应和环境污染等，储能和转化是现代世界中的两个重要研究课题。

钾离子电池（PIBs）由于其丰富的钾资源，溶剂中K⁺的快速动力学以及K⁺/K的低氧化还原电势，在储能领域是锂离子电池的有前途的替代品。
电化学CO₂还原反应（CO₂ RR）是一种有前途的策略，可将可再生电力直接转化为有价值的化学产品，例如甲酸和CO，然后中止人为碳循环。

对于电池和电催化，电极都是达到高性能的关键。

通式为Bi_lO_mX_n（X = Cl，Br和I）的层状卤化铋作为三元化合物，在催化和储能等各个领域均作为活性材料备受关注，具有成本低廉，光学和各向异性电学性质。有吸引力的是，氧空位（OVs）易于在卤氧化铋中形成，这归因于表面Bi-O键的低能。丰富的OVs不仅可以加速电荷扩散，还可以提供更多的活性位点。此外，OVs可以充当浅施主，从而提高载流子浓度并克服低电导率。然而，大多数电极材料的缺陷改性通常集中在表面或亚表面上。通过晶格氧改性来调节体积仍然是一个巨大的挑战。

图1. 图片概要

文章介绍

基于以上现状，湖南大学吴英鹏、苏州大学李彦光等在国际知名期刊Nano Energy 上发表题为“Bilayer nanosheets of unusual stoichiometric bismuth oxychloride for potassium ion storage and CO₂ reduction”的论文。Jianhua Zhu、Jia Fan为本文第一作者。

在这项工作中，作者合成了双层Bi₁₂O₁₇Cl₂纳米片（BBNs），这是一种不寻常的化学计量的三氧化二铋，在主体中具有大量的OV，并研究了它们的钾存储和CO₂ RR行为。作为PIB的阳极，这种独特的2D结构（厚度约为1.5 nm）具有出色的电化学性能，具有良好的钾化和去钾化作用。这类具有丰富活性位点的BBN，尤其是OV，可以有效地促进K⁺离子扩散，电子转移以及反应动力学。

因此，可以获得在500 mA g^-1下的534.1 mA h g^-1的高初始放电容量。值得注意的是，在10µA ofg^-1的高电流密度下，经过1500次循环后，容量仍可以保持在198µmA h g^-1以上。作为CO₂ RR的电催化剂，该样品在-0.89 V时具有J_HCOO- = 11.5 mA / cm²的最大值，并且在> 12h时具有出色的耐久性。

文章亮点

方便地合成了双层Bi₁₂O₁₇Cl₂纳米片（BBNs），这是一种不寻常的化学计量的三氧化二铋，具有大量的OVs。
BBN中的OV促进了离子扩散，电子转移以及反应动力学。
BBN中的OV确保了PIB电极的优异速率和循环性能。
BBN中的OV和超薄结构有助于更好地吸附和活化CO2，这使该材料具有令人印象深刻的活性，选择性和稳定性。

图2.纳米片的形貌及结构表征

(a, b) SEM, (c) AFM image, (d) TEM, (e) HR-TEM, and (f) Selected-area electron diffraction (SAED) pattern of the Bi₁₂O₁₇Cl₂-100 °C nanosheets (BNNs).

(g) XRD, and (h) Raman of the Bi₁₂O₁₇Cl₂-60 °C, the Bi₁₂O₁₇Cl₂-100 °C, the Bi₁₂O₁₇Cl₂-140 °C, and BiOCl.

文章链接:

Bilayer nanosheets of unusual stoichiometric bismuth oxychloride for potassium ion storage and CO₂ reduction

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520304961

作者简介:

吴英鹏，博士，教授

湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，湖南大学岳麓学者，湖湘高层次人才聚集工程创新人才，国家青年千人。本科毕业于上海交通大学化学化工学院，博士毕业于南开大学化学学院，之后分别在斯坦福大学（stanford university）任博士后，uwm任助理研究员，现入职湖南大学化学化工学院。

近年来，发表论文超过30篇，累计引用4600余次，h因子24；其中第一作者或共同第一作者，通讯作者论文包括：nature, nature photonics, nature communication, energy & environmental science, advanced material, nano energy, nano research，carbon等国际著名杂志，申请中国专利3项，美国专利3项，授权中国专利1项，美国专利1项。其中nature communication 工作被《自然》杂志作为亮点报道, 同时被权威媒体作为亮点报道，包括：新华网，中国网，中国日报等。nature 工作被国内外权威媒体作为亮点报道，包括：cctv, abc, cnn, bbc, 科学美国人, 斯坦福大学新闻中心，科技日报等。nature photonics 工作被国内外知名媒体作为亮点报道，包括：cctv,new scientists, 人民日报第一版，科技日报，人民网等。advanced material工作被新浪科技等媒体作为亮点报道。

资料来源：http://muchong.com/html/201909/13623738.html

李彦光，博士，教授

苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师。2005年7月，获得复旦大学化学系理学学士学位；2010年7月，获得美国俄亥俄州立大学化学系化学博士学位；2010年7月至2013年6月，在美国斯坦福大学化学系从事博士后研究；2013年10月，入职苏州大学功能纳米与软物质研究院。

研究方向主要为高效能量转换的无机纳米功能材料, 围绕无机纳米功能材料的控制制备及其在光-电-化学能相互转换中的应用探索开展工作，重点发展它们在电化学催化、电池储能和水的光电裂解等前沿领域的应用。到目前为止，以第一作者或共同第一作者在Science, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters 和Journal of the American Chemical Society等一些国际期刊上发表论文约30余篇。论文总引用次数3000多次，其中2篇超过500次，10篇超过100次。

资料来源：http://funsom.suda.edu.cn/7f/9d/c2735a32669/page.htm