山东大学张进涛教授最新AFM：氮掺杂核壳结构碳基纳米笼的设计合成与储能性能- 大数跨境

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山东大学张进涛教授最新AFM：氮掺杂核壳结构碳基纳米笼的设计合成与储能性能

科学材料站

2020-09-20

导读：本文通过热解核壳结构的ZIF-8@ZIF-67得到的Co-NGC@NC中空双层碳纳米笼作为负极材料表现出了优异的锂离子电池性能，电池兼具比容量大，循环性能稳定，寿命长，倍率性能好等特点

文章信息

氮掺杂核壳结构碳基纳米笼的设计合成与储能性能

第一作者：许浩然，赵兰玲

通讯作者：张进涛*

单位：山东大学

研究背景

随着化石燃料消耗的增加，清洁和可再生能源的研发引起了持续和广泛的研究关注。目前商业锂离子电池石墨负极的理论比容量仅为372 mAh g-1，限制了锂离子电池的性能，难以满足当前电子设备、动力汽车的使用需求，因此开发一种高比容量、长寿命、倍率性能优异的锂离子电池负极材料势在必行。其中构建具有特殊结构的碳材料是提升负极材料性能的有效方法和重要研究方向。

文章简介

近日，山东大学张进涛教授与王俊博士在Advanced Functional Materials（影响因子：16.836）上发表题为“Metal-Organic-Framework Derived Core-Shell N-Doped Carbon Nanocages Embedded with Cobalt Nanoparticles as High-Performance Anode Materials for Lithium-Ion Batteries”的研究工作。

该课题通过双层MOF结构(ZIF-8@ZIF-67)进行热解，得到钴单质修饰氮掺杂核壳结构碳纳米笼(Co-NGC@NC)用于高性能锂离子电池负极材料。该负极材料在100 mA g-1的电流密度下，循环140圈之后仍保有950 mAh g-1的比容量，在电流密度为5A g-1条件下，循环超过1000圈，比容量可以维持在314 mAh g-1，具有优异的循环稳定性和倍率性能。

Co-NGC@NC具有坚固的纳米笼结构，其表面碳纳米管和材料中钴纳米颗粒可以有效提高材料的电子电导率。而且材料具有氮掺杂，多孔以及中空的结构特性，因此嵌锂的位点和空间丰富，同时也容易使电池在充放电过程中获得较大的赝电容。作者测试了不同扫速下的CV曲线，通过Randles-Sevcik方程计算得到了容量中赝电容占比。同时，通过DFT模拟，研究了含氮量对电池容量的影响。

研究表明，Co-NGC@NC的特殊结构赋予了其优异的电化学性能，因此可以被用作高性能锂离子电池负极材料。实验结果也为相关材料的开发与研究提供了一种可行方案。

该文章第一作者为山东大学硕士研究生许浩然和助理研究员赵兰玲

张进涛教授为本文的通讯作者

本文要点

要点一：ZIF-8材料含有Zn元素，ZIF-67材料含有Co元素，通过对前驱体ZIF-8@ZIF-67的TEM面扫描测试，巧妙地证明了材料的核壳结构，进而说明Co-NGC@NC确实是双层结构，同时，材料的透射电镜结果也佐证了这一点。

图1.

（a）前驱体扫描电镜图；（b）前驱体透射电镜面扫描图；（c）Co-NGC@NC扫描电镜图；（d）前驱体扫描电镜面扫描图；（e）Co-NGC@NC低倍透射电镜图；（f）选区电子衍射图；（h）Co-NGC@NC高倍透射电镜图。

要点二：对Co-NGC@NC材料进行结构表征，通过BET测试材料的比表面积，通过XPS确定材料氮和钴的存在形式和含量。

图2.

（a）不同样品XRD图谱；（b）不同样品Raman图谱；（c）Co-NGC@NC的氮气吸脱附曲线和孔径分布图；（d~f）Co-NGC@NC的XPS全谱，N1s和Co2p图谱。

要点三：对Co-NGC@NC电极材料的测试结果说明，电池具有比容量大，循环性能优异，寿命长等优点。

图3.

（a）三种电极材料在电流密度为100mA g-1条件下的循环图；（b）Co-NGC@NC电极材料在电流密度为100mA g-1条件下典型充放电曲线；（c）Co-NGC@NC电极材料在电流密度为1A g-1条件下典型充放电曲线；（d）Co-NGC@NC电极材料扫速为0.1mV s-1条件下的CV测试曲线；（e）三种电极材料在电流密度为1A g-1条件下的循环结果。

要点四：测试Co-NGC@NC电极材料不同扫速下的CV曲线，根据Randles-Sevcik计算电池容量中赝电容占比。

图4.

（a）Co-NGC@NC电极材料在不同情况下的EIS测试结果；（b）不同电极材料的倍率性能；（c）Co-NGC@NC电极材料在不同扫速条件下的CV曲线，（d）对充放电过程中b值的拟合，（e）赝电容产生的容量在不容扫速时总容量的占比，（f）赝电容在0.1mV s-1扫速下的容量占比。

要点五：通过DFT理论计算，说明氮掺杂对储锂的影响。

图5

（a~c）NC，Co-NGC和Co-NGC@NC材料电荷密度分布情况和(d~f)N原子对Li离子的吸附情况。

结论

综上所述，作者通过热解核壳结构的ZIF-8@ZIF-67得到的Co-NGC@NC中空双层碳纳米笼作为负极材料表现出了优异的锂离子电池性能，电池兼具比容量大，循环性能稳定，寿命长，倍率性能好等特点，并且通过赝电容计算和DFT理论计算阐释了影响该材料比容量的关键因素。本项工作对碳材料的修饰和研发提供了一种新思路，也拓展了锂离子电池电极材料的选材范围。

文章链接

Metal-Organic-Framework Derived Core-Shell N-Doped Carbon Nanocages Embedded with Cobalt Nanoparticles as High-Performance Anode Materials for Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006188

通讯作者介绍

张进涛，2012年于新加坡国立大学取得博士学位。现为山东大学教授，入选山东省泰山学者计划青年专家，海外高层次人才计划青年项目。主要从事高性能电极材料的表界面电化学与电催化储能机理研究。

课题组介绍

本课题长期致力于高性能的新型电极材料开发及电化学能源存储与转化器件构建方面的研究工作。以电化学方法和技术为基础，对新能源材料在能源存储与转化器件中的应用进行理论阐释与实验探索；揭示理解其中的新现象、新理论，阐明材料结构与性能间的构效关系；实现材料结构和电化学性能的有效调控，建立和发展新型能源材料宏量可控的制备方法和技术；构建高效、清洁的新型能源器件。

包括以下研究方向：

（1）新型能源材料和器件的设计与性能优化。研究复合材料的储能机理，指导新型复合储能材料的制备及其应用（如金属空气电池、锂-碘电池、超级电容器等）；

（2）非贵金属催化剂的创新性合成与应用。设计合成低花费、高催化活性的多功能催化剂，用于金属空气电池、燃料电池、电催化制氢产氧、电化学二氧化碳还原等。

http://faculty.sdu.edu.cn/ees/zh_CN/index.htm