超薄納米片誘導法製備三維網路狀介孔金屬氧化物

最新 07-19

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過渡金屬氧化物（TMOs）因具有較高的理論容量成為極具潛力的鋰離子電池（LIB）負極材料。然而，TMOs在離子嵌入過程中會發生巨大的體積變化，而且離子傳輸/電子傳導的效率較差，因此在實際應用中體系材料的循環性能和倍率性能欠佳。為了改善TMOs作為LIB負極的性能，研究人員開發了多種納米結構，例如納米管、納米片和空心球等。在不同結構中，三維結構有利於緩解體積應力並提升電子傳導。此外，大表面積和豐富孔結構的設計也可以改善離子的傳輸效率。

最近，天津大學趙乃勤教授課題組採用超薄納米片誘導合成的方法成功製備出三維網路狀介孔氧化鈷（3D-MN Co3O4）。他們在製備過程中使用三維摻雜碳網路（N-CN）納米片為模板，吸附金屬離子後進行空氣煅燒將N-CN模板移除，從而得到三維網路狀的氧化鈷（圖1）。

圖1. 3D-MNCo3O4製備模式圖

圖2. 3D-MNCo3O4微觀結構及成分分布

首先，他們通過NaCl模板製備得到3D N-CN。SEM圖像（圖2a）顯示3D N-CN由超薄納米片（厚度小於10 nm）組成。隨後，他們將3D N-CN浸入2 mol?L-1的Co(NO3)2溶液中。N-CN良好的親水性保證其均勻分散在溶液中。3D N-CN吸附Co離子後，經過濾、乾燥，並在空氣中500 ℃條件下煅燒，可以除去碳模板得到3D-MNCo3O4。由圖2b和2c可以看出，3D-MNCo3O4呈三維連通特徵，且碳基體的移除可獲得豐富的介孔結構。由圖2d亦可看出，該三維網路是由尺寸在5-10 nm的小顆粒組成，這一納米尺寸有利於鋰離子的嵌入與脫出。

圖3. 3D-MNCo3O4作為LIB負極材料的性能表現

作為LIB的負極材料，3D-MNCo3O4在0.2 A?g-1的電流密度下表現出優異的鋰存儲能力（圖3）。初始放電和充電比容量分別為800和545 m?h?g-1。經歷初始20個循環的衰退後，儲鋰性能被激活，在經過200次循環後，放電和充電比容量分別增加到957和924 m?h?g-1，實現了170％的容量保持率。更為重要的是，該方法被證實同樣可應用於其他TMO材料的製備，包括Fe2O3、ZnO、Mn3O4、NiCo2O4和FeCoO2。

該論文作者為：Shan Zhu, Jiajun Li, Xiaoyang Deng, Chunnian He, Enzuo Liu, Fang He, Chunsheng Shi, Naiqin Zhao

Ultrathin-Nanosheet-Induced Synthesis of 3D Transition Metal Oxides Networks for Lithium Ion Battery Anodes.

Adv. Funct. Mater.,2017,27, 1605017, DOI: 10.1002/adfm.201605017

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趙乃勤

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