原創 物理化學學報 物理化學學報WHXB 2021-12-09
第一作者：楊越
通訊作者：木士春
通訊單位：武漢理工大學，佛山仙湖實驗室
主要亮點
以花狀NH2-MIL-125 (Ti)鈦基MOF為模板和前驅體, 通過一步煅燒法, 合成出由超薄二維褶皺型多孔氮摻雜碳納米片（平均厚度僅為1.5 nm）堆疊和組裝而成的超細納米TiO2/多孔氮摻雜碳片復合材料(FL-TiO2/NPC)，具有豐富的多孔結構和較大的比表面積(238.3 m2·g-1)。電化學性能測試表明，在2 A·g-1、2000圈大電流長循環測試后，電極材料仍能保持256.5 mAh·g-1的比容量和接近100％的庫倫效率。該材料的合成策略可以為今后高儲鋰金屬氧化物/多孔氮摻雜碳材料的制備提供一種新的思路。
研究背景
隨著環境問題和能源危機的加劇，鋰離子電池作為全球實現清潔能源的重要組成部分正在受到越來越多的關注，而尋找高效安全的鋰離子電池電極材料是當今時代的一個重大課題。在眾多負極材料中，二氧化鈦(TiO2)由于其環保、廉價以及優異的安全穩定性而受到人們的廣泛關注。但TiO2較差的導電性和較低的理論比容量限制了其作為負極材料進一步的應用。而具有獨特結構(納米線、納米片、多孔結構等)的雜原子摻雜碳/TiO2復合材料則展現了極大的研究前景。
核心內容
1 合成策略
本工作巧妙地選擇了具有花狀結構的NH2-MIL-125(Ti)鈦基MOF為前驅體和模板，通過一步煅燒法(600 ℃, Ar)，最終制備出亦具有相似花狀結構的FL-TiO2/NPC。在同樣的合成條件下將鈦基MOF在空氣中煅燒，得到對比樣P-TiO2。
圖1 FL-TiO2/NPC電極材料的制備流程示意圖
2 結構表征
由SEM、TEM、HRTEM和AFM觀察可知，所制備的FL-TiO2/NPC由超薄(~1.5 nm)多孔氮摻雜碳納米片組裝而成，完美繼承母體MOF的花狀結構；XRD和Raman測試進一步表明產物中有銳鈦礦TiO2和無定形碳的存在；BET測試則表明FL-TiO2/NPC產物具有較大的比表面積(238.3 m2·g-1)；XPS測試進一步表明N雜原子的成功摻雜。這些獨特的形貌特和結構征有利于提升材料的電化學性能。
圖2 FL-TiO2/NPC電極材料和對比樣P-TiO2微觀形貌及組分表征(a為前驅體NH2-MIL-125 (Ti), b為煅燒后FL-TiO2/NPC, c為空氣下煅燒后的對比樣P-TiO2)
圖3 FL-TiO2/NPC電極材料結構及組分表征
3 電化學性能表征
在5A·g-1大電流密度下，所制備的FL-TiO2/NPC電極材料仍能保持210.7mAh·g-1的比容量；在2 A·g-1、2000圈大電流長循環測試后，電極材料依然能保持256.5 mAh·g-1的比容量和接近100％的庫倫效率；進一步的CV測試表明，在1mV s-1的掃速下，FL-TiO2/NPC的贗電容占比高達63.6％，展現了其優異的贗電容儲鋰性能。
圖4 FL-TiO2/NPC電極材料和P-TiO2的電化學性能
結論與展望
采用獨特的合成策略獲得了具有高儲鋰特性的金屬氧化物（TiO2）/多孔氮摻雜碳復合材料。但同時如何合成其他結構(一維納米線、中空結構、多級孔結構等)MOF仍然面臨著巨大挑戰。今后可以繼續對具有獨特結構的材料進行多雜原子摻雜及多相混合調控，從而制備出更高效、安全及穩定的儲鋰/鈉性能的負極材料。
參考文獻及原文鏈接
Yang, Y.; Zhu, J. W.; Wang, P. Y.; Liu, H. M.; Zeng, W. H.; Chen, L.; Chen, Z. X.; Mu, S. C. NH2-MIL-125 (Ti) Derived Flower-Like Fine TiO2 Nanoparticles Implanted in N-doped Porous Carbon as an Anode with High Activity and Long Cycle Life for Lithium-Ion Batteries. Acta Phys. -Chim. Sin., 2022,38 (6), 2106002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202106002