武漢理工大學麥立強&周亮Adv. Funct. Mater. : 超細Ni納米粒子/SiO2分級空心球用于高性能儲鋰

【引言】

SiO₂是地球上儲量最豐富的材料之一，具有高達1965 mAh·g^-1的理論比容量。然而，SiO₂也具有容量變化大和本征電子導電率低等缺點，使得其電化學性能尚差強人意。為提升SiO₂的電化學性能，研究人員已提出一些策略，其中設計SiO₂空心結構以順應體積變化調節是有效方法之一。另一個策略是將SiO₂和碳質材料進行復合以提高電子導電率。除了碳質材料，金屬也可以用來提高活性材料的電子導電率。然而，基于SiO₂/金屬的負極材料少見報道。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授、周亮教授(共同通訊作者)等設計了一種由超細Ni納米粒子(≈3 nm)修飾SiO2納米片構筑的分級中空結構Ni/SiO₂納米復合材料，并在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“Ultrafine Nickel-Nanoparticle-Enabled SiO2 Hierarchical Hollow Spheres for High-Performance Lithium Storage”的研究論文。Ni納米粒子不僅有效提高了SiO₂電子導電率，也提升了其電化學活性。與此同時，空腔提供足夠的自由空間來緩解SiO₂在反復鋰化/脫鋰過程的體積變化；納米片結構減少鋰離子的擴散長度。由于Ni和SiO₂之間的協同效應，0.1 A·g^-1下Ni/SiO2復合材料具有高達676 mAh·g^-1的可逆容量。在10 A·g^-1的高電流密度下，1000圈后仍可保留337 mAh·g^-1的容量。

【圖文簡介】

圖1 Ni/SiO₂分級空心球的制備

a) Ni/SiO₂分級空心球制備過程示意圖。步驟I：St?ber法制備的SiO2球水熱處理得到硅酸鎳 步驟II：在H₂/Ar (5%/95%)氣氛中煅燒硅酸鎳；

b) Ni/SiO₂分級空心球細節示意圖。

圖2 Ni/SiO₂-550分級空心球的形貌表征和元素分布

a,b) Ni/SiO₂-550分級空心球的SEM圖像；

c,d) Ni/SiO₂-550分級空心球的TEM圖像；

e) Ni/SiO₂-550分級空心球的SAED圖譜；

f) Ni/SiO₂-550分級空心球的HRTEM圖像；

g) Ni/SiO₂-550分級空心球的元素分布。

圖3 不同煅燒溫度Ni/SiO₂分級空心球的形貌表征

a-d) Ni/SiO₂-600分級空心球的SEM、TEM和HRTEM圖像；

e-h) Ni/SiO₂-650分級空心球的SEM、TEM和HRTEM圖像；

i-l) Ni/SiO₂-700分級空心球的SEM、TEM和HRTEM圖像。

圖4 Ni/SiO₂分級空心球的表面元素價態和晶體性質

a) 不同制備溫度下Ni/SiO₂分級空心球的XRD譜圖；

b) Ni/SiO₂-550分級空心球的Ni 2p XPS譜圖；

c) Ni/SiO₂-550分級空心球的Si 2p XPS譜圖；

d) Ni/SiO₂-550分級空心球的N2吸附-脫附等溫線。

圖5 Ni/SiO₂分級空心球和原始SiO₂的電化學性能

a) 0.1 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分級空心球的典型充放電曲線；

b) 0.1 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分級空心球和原始SiO₂的循環性能；

c) 0.5 A·g^-1下，不同制備溫度Ni/SiO₂分級空心球的循環性能；

d) 10 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分級空心球的循環性能；

e) 不同制備溫度Ni/SiO₂分級空心球的倍率容量。

圖6 不同狀態下Ni/SiO₂-550分級空心球的表面元素價態

a) 不同狀態下 Ni/SiO₂-550分級空心球的Ni 2p XPS譜圖；

b) 不同狀態下Ni/SiO₂-550分級空心球的Si 2p XPS譜圖。

【小結】

該研究通過簡單的原位還原法成功合成了超細Ni納米顆粒修飾SiO₂分級空心球。超細Ni納米顆粒(≈3 nm)使得SiO₂分級空心結構具有優秀的儲鋰性能。Ni/SiO₂-550復合材料具有高達676 mAh·g^-1的比容量。在10 A·g^-1的高電流密度下，1000圈后仍可保留337 mAh·g^-1的容量。該研究證實制備金屬/SiO₂納米復合材料是一種有望提高SiO₂儲鋰性能的方法。該工作受到科技部重點研發計劃(2013CB934103)，國家杰出青年基金(51425204)等項目的支持。

【通訊作者課題組簡介及相關工作匯總】

麥立強教授課題組主要開展新型納米儲能材料與器件領域的前沿探索性研究，包括新能源材料、微納器件、面向能源的生物納電子界面等前沿方向。率先將納米器件應用于電化學儲能研究，重點開展了納米電極材料可控生長、性能調控、器件組裝、原位表征、電輸運與儲能等系統性的基礎研究，取得了一系列國際認可的創新性成果。課題組近年來主持/承擔了國家重點基礎研究發展計劃、國家國際科技合作專項、國家杰出青年基金、教育部“長江學者特聘教授”、創新團隊發展計劃、國家青年千人計劃、國家自然科學基金、教育部新世紀優秀人才計劃等20余項。目前，實驗室在Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Letters,等國際著名期刊發表學術論文250余篇，其中影響因子大于10的60余篇，29篇論文入選ESI 近十年高被引論文，4篇入選ESI全球TOP 0.1%熱點論文；取得授權國家發明專利50余項。獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、Nanoscience Research Leader獎、入選“百千萬人才工程計劃”、國家“萬人計劃”領軍人才，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號；指導學生獲得 “中國青少年科技創新獎”（3屆），全國大學生“挑戰杯”特等獎（1屆）、一等獎（2屆）、二等獎（4屆），中國大學生自強之星標兵（1屆）和2014年大學生“小平科技創新團隊” 等湖北省自然科學一等獎一項。

麥立強教授課題組鏈接:http://mai.group.whut.edu.cn

麥立強教授課題組近五年圍繞一維納米材料進行可控的結構設計與優化，構筑了一系列具有高能量密度、高功率密度、長循環壽命的儲能材料及器件（Nano Letters, 2016, 16, 2644–2650；Nature Communications, 2015, 6, 7402；Nano Letters, 2014, 14: 1042–1048），撰寫了相關綜述（Chemical Reviews, 2014, 114: 11828–11862；Advanced Materials, 2017, 1602300; Joule, 2017, 1, 522-547）；在國際上率先設計和組裝了單根納米線電化學器件，揭示了其容量衰減的本質（Nano Letters, 2016, 16, 1523–1529；Nano Letters, 2015, 15, 3879?3884）；提出了原位監測電極材料的新型表征手段和技術，實時監測了電化學反應過程，深入解釋了電池的工作機制（Nano Letters, 2015, 15, 3879?3884；Advanced Functional Materials, 2016, 1602134），并在Nature雜志上撰寫發表了評述（Nature, 2017, 546, 469）。不僅如此，還深入研究了多種能源存儲及轉化體系：鋰離子電池（Advanced Materials, 2013, 25, 2969–2973），鈉離子電池（Nature Communications, 2017, 8, 460; Advanced Energy Materials, 2017, 1700247），鋅離子電池（Advanced Energy Materials, 2017, 1601920），鉀離子電池（Nano Letters, 2017, 17(1): 544-550），超級電容器（Nature Communications, 2013, 4: 2923; Nature Communications, 2017, 8:14264），電催化（Advanced Materials, 2016, 1604464; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 : 8212–8221），撰寫了鋰硫電池相關綜述（Advanced Materials, 2017, 1601759）等；利用多種表征技術對各個體系中納米儲能材料的工作機制進行了深入的研究，提出了復雜納米結構設計、離子預嵌入等多種優化手段，進而大幅度提升性能（Nature Communications, 2014, 5: 4565；J. Am. Chem. Soc. 2013, 135: 18176–18182; Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1267-1275；Nano Letters, 2015, 15: 2180–2185）。

文獻鏈接： Ultrafine Nickel-Nanoparticle-Enabled SiO2 Hierarchical Hollow Spheres for High-Performance Lithium Storage (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704561)

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