海藻酸纖維巧變殼數可調中空金屬氧化物纖維

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海藻酸纖維是一種重要的天然功能纖維新材料，具有天然可再生、綠色環保和天然本質自阻燃、抗電磁輻射、良好的止血抗菌醫用等多種功能，符合纖維新的發展趨勢，賦予該類纖維極大的開發價值。豐富的海藻生物質作為再生資源在能源材料方面的應用越來越受到人們的關注。近日，青島大學的楊東江教授和北京大學的郭少軍教授合作，通過將海藻酸-金屬纖維在空氣中熱處理，製備出一類具有可調殼數的多殼中空金屬氧化物纖維。

過渡金屬氧化物（TMOs，如NiO、Co3O4、Fe2O3）由於具有較高的理論比容量、較低的成本和高可利用性被視為理想的高性能鋰離子電池（LIB）負極材料。然而TMOs電極在脫嵌鋰過程中發生巨大的體積變化，極易造成電極材料的粉化，降低其循環性能和倍率性能。設計具有可調空間的TMOs納米材料可以減輕脫嵌鋰過程中產生的機械應力，充分利用一維纖維結構有效縮短Li+的遷移路徑，從而實現TMOs的高效利用。但TMOs納米材料的製備過程中實現空間可調十分困難，找到控制TMOs中空納米結構空隙的有效策略以實現高容量和穩定的鋰離子存儲仍舊是很大的挑戰。

基於上述問題，青島大學的楊東江教授和北京大學的郭少軍教授合作報道了一種用於製備具有可調殼數多殼TMOs中空纖維的通用和可擴展的方法，通過典型的「蛋-盒」將TM陽離子（如Ni2+、Co2+或Fe3+）固定在海藻酸鹽纖維中。他們通過調節混合H2O/EtOH溶劑的比例來實現TM陽離子的梯度分布。多殼中空TMOs纖維可以通過海藻酸-TM纖維在空氣中簡單地退火來合成，殼數可以通過TM陽離子的吸附深度來調節。所合成的多殼中空TMOs纖維用於構建LIBs負極材料時，鋰離子的存儲性能取決於多殼中空TMOs的殼數，其中三重殼結構表現出最高的容量。

（a）多層微纖維的形成示意圖；（b）三重殼NiO、Co3O4和Fe2O3中空微纖維電極在1 A/g下的循環性能；（c）三重殼NiO、Co3O4和Fe2O3中空微纖維的SEM圖像。

所合成的多殼中空TMOs纖維用於設計LIBs負極材料時表現出優異的循環和倍率性能。三重殼NiO電極的首次放電/充電容量分別為1120.1和806.4 mA?h/g，相應的首次庫侖效率為72.0 %。所有的多殼NiO纖維負極在1 A/g的電流密度下循環200圈後的容量保持率約為100%，三重殼NiO中空微纖維相比單重殼（601.9 mA?h/g）和雙重殼（668.2 mA?h/g）表現出更高的容量（698 mA?h/g）。三重殼Co3O4和Fe2O3電極在1 A/g的電流密度下循環200圈分別表現出940.2 mA?h/g和997.8 mA?h/g的比容量。相關工作發表在ACS Nano上。

該論文作者為：Jin Sun, Chunxiao Lv, Fan Lv, Shuai Chen, Daohao Li, Ziqi Guo, Wei Han, Dongjiang Yang and Shaojun Guo

Tuning the Shell Number of Multishelled Metal Oxide Hollow Fibers for Optimized Lithium-Ion Storage

ACS Nano,2017,11, 6186, DOI: 10.1021/acsnano.7b02275

導師介紹

楊東江

http://www.x-mol.com/university/faculty/35079

郭少軍

http://www.x-mol.com/university/faculty/18935

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