暨南大学，昆士兰大学 JMCA: 利用植酸调控活性官能氮种类促进钾离子电池吸附反应和扩散动力学- 大数跨境

首页

暨南大学，昆士兰大学 JMCA: 利用植酸调控活性官能氮种类促进钾离子电池吸附反应和扩散动力学

科学材料站

2021-10-24

导读：该工作以实现氮掺杂种类的有序调控为出发点，设计并成功制备出高吡啶氮含量的纳米层状碳负极材料

文章信息

利用植酸调控活性官能氮种类促进钾离子电池吸附反应和扩散动力学

第一作者：马良，李志斌

通讯作者：黎晋良，Yusuke Yamauchi，麦文杰

单位：暨南大学，昆士兰大学

研究背景

杂原子掺杂碳材料已经广泛应用于钾离子电池负极材料的设计中，多种类含氮官能团掺杂由于其对电极材料内部局域空间离子吸附、电子转移的独特性质受到研究学者的高度关注。

然而不同种类含氮官能团对钾离子电化学反应的促进作用存在明显差异，如何实现活性氮官能团种类的精准有序调控，并合理阐述相应官能团对钾离子电池性能提升的作用机理显得十分重要。

本篇论文展示了一种基于植酸诱导调控活性氮种类的纳米层状碳材料的合成策略，实现了对不同种类含氮官能团的有序调节，并且通过DFT理论计算揭示了活性氮对钾离子吸附反应与扩散传输的作用机理，为高性钾离子电池负极材料及原子尺度氮功能团调控的研究提供了新的思路。

文章简介

在这里，来自暨南大学的麦文杰教授、黎晋良副研究员与澳大利亚昆士兰大学的Yusuke Yamauchi教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Phytic Acid Induced Nitrogen Configuration Adjustment of Active Nitrogen-Rich Carbon Nanosheets for High-Performance Potassium-Ion Storage”的研究论文。

论文第一作者及共同第一作者为暨南大学助理研究员马良博士和硕士研究生李志斌。该工作以实现氮掺杂种类的有序调控为出发点，设计并成功制备出高吡啶氮含量的纳米层状碳负极材料（PANC），将其应用于钾离子电池中展现出了317 mAh g-1高比容量和3200圈的长循环寿命。

借助于第一性原理计算等分析手段明确了活性氮官能团对钾离子电池的促进作用不仅体现在增强的吸附反应活性，而且在于其极大地改善了钾离子在碳材料内部的扩散动力学，实现了钾离子的高效存储。

图1. （a）高活性氮掺杂纳米片状碳材料（PANC）合成路线以及合成材料的（b）SEM，（c）TEM和（d）元素分布。

文章要点

要点一：植酸的引入可以引起碳纳米片中掺杂氮的构型调整。

适宜浓度的植酸促进了石墨氮向吡啶氮的转变，使吡啶氮的含量呈现先增加后减小的趋势（高达3.46 at%的吡啶氮含量），证明了植酸对所制备的纳米片状碳材料氮掺杂的调控效果。

图2. （a）吡啶-N、吡咯-N、石墨-N和氧化-N的XPS分峰图谱，（b）总氮的原子含量，（c）吡啶-N、吡咯-N、石墨-N和氧化-N的原子含量变化。

要点二：在不同的掺杂氮种类中，吡啶氮作为活性位点可以显着提高钾离子存储性能。

将所制备的材料应用于钾离子电池负极的充放电循环测试，吡啶氮含量较高的PANC-2样品在 50 mA g-1 电流密度下循环 100 次后比容量仍有 317 mAh g-1，在 500 mA g-1 电流密度下循环 3200 次后比容量保持在 202 mAh g-1，远高于吡啶氮含量较低的样品，说明吡啶氮作为活性位点可以显着提高钾离子存储性能，研究成功实现了氮官能团种类的调节并以此获得了较高的钾离子电池循环性能。

图3. （a）恒电流放电/充电曲线，（b）循环性能，（c）库仑效率，（d）倍率性能和（e）长时循环性能。

要点三：根据 DFT 计算，吡啶氮具有更高的钾离子吸附和扩散能力。

第一性原理计算结果表明，吡啶氮相对于其他类型的氮官能团种类（石墨氮、吡咯氮、氧化氮）具有更优异的钾离子吸附性能（-4.64 eV for one and -4.72 eV for two pyridinic-N），不仅如此交流阻抗测试表明高吡啶氮含量的PANC-2电极具有更高的钾离子扩散系数（4.24 × 10-15 cm2 s-1，相对于PANC-1和PANC-3的1.69 × 10-15 cm2 s-1和3.26 × 10-15 cm2 s-1），相应的赝电容分析证实PANC-2由于较高的扩散系数而具有更强的扩散电容存储容量。

进一步的DFT过渡态（NEB）模型计算表明，吡啶氮相对于吡咯氮具有更低的钾离子扩散能垒（0.16 eV VS 1.12 eV），揭示了活性氮在钾离子性能提升过程中扩散能力改善对性能影响的重要性。

图4. 吸附模型的 DFT 计算：（a）石墨-N，（b）吡咯-N，（c）吡啶-N，（d）氧化-N，（e）2-吡啶-N和（f）2-吡啶-N-K的电子局域化函数，棕色、蓝灰色、红色和蓝紫色球分别代表C、N、O和K原子。

图5. （a）EIS,（b）相应扩散系数和（c）0.2 到 1.0 mV s-1 扫描速率下的扩散容量贡献百分比；（d）总态密度（DOS），（e）吡咯-N、（f）吡啶-N的NEB计算模型和（g）吡咯-N、吡啶-N的钾离子扩散能垒。

文章链接

“Phytic Acid Induced Nitrogen Configuration Adjustment of Active Nitrogen-Rich Carbon Nanosheets for High-Performance Potassium-Ion Storage”

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta07196c

作者简介

麦文杰教授.

麦文杰博士现任暨南大学理工学院教授、博士生导师，物理学系学科带头人。2009年毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程系，获博士学位，导师为王中林（Zhong Lin Wang）院士；2009年被暨南大学作为海外优秀人才引进入校，破格评聘为副教授；2013年破格评聘为研究员；2015年起担任物理学系系主任。麦文杰教授从事电化学储能领域十余年，并基于该领域研究发表高水平论文200余篇，承担国家级项目4项，省部级项目7项，曾荣获广东省自然科学杰出青年基金（省杰青）经费资助，入选广东特支计划百千万人才工程青年拔尖人才，广东高等学校优秀青年教师培养计划，荣获南粤科技创新优秀学术论文一等奖。

黎晋良副研究员.

黎晋良博士现任暨南大学物理学系副研究员，硕士生导师。2017年获得华东师范大学物理学博士学位。2017年至2020年在暨南大学麦文杰教授课题组从事博士后研究工作，2019年至今担任暨南大学物理学系副研究员。黎晋良副研究员深耕钠、钾离子电池近十年，对钠、钾离子电池正极、负极、电解液等做了大量初创性的研究工作，并发表高水平论文70余篇，承担国家级项目1项，省部级项目4项。入选2020年度中国博士后基金获得者选介，广东省材料研究学会青年委员会委员。

马良助理研究员.

马良博士现任暨南大学物理学系助理研究员、博士后。2019年获得中山大学材料科学与工程博士学位。2020年至今在暨南大学麦文杰教授课题组从事博士后研究工作，已发表高水平SCI论文10余篇，作为项目负责人完成企业横向课题5项，参与完成国家973计划及国家自然科学基金3项。马良博士致力于钠、钾离子电池材料及界面调控的性能和机理研究，并积极推动相关技术的产业化发展，所指导的本科生创业团队在第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛中获得大赛银奖。