Adv. Mater. : 由石墨烯包覆的互聯TiO2納米顆粒組成的分級多孔納米片用于超快儲鈉

【引言】

自2011年鈦基氧化物材料首次作為鈉離子電池負極(SIBs)材料以來，研究人員一直致力于提出不同的策略以制備多種形態的TiO₂結構。然而TiO₂負極基負極的容量、比容量以及循環穩定性亟待提高，特別是在較高的倍率下，需要進一步提升以迎合高能源消耗電動汽車的需求。此外，應充分考慮插層負極材料的電化學性能和結構穩定性之間的平衡。因此，探索一種有效的策略來設計電池材料的結構、形態、組成以提升其性能，同時保持電極的結構完整性，其前景可觀但充滿挑戰。

【成果簡介】

近日，山東大學熊勝林教授、中國科學技術大學林岳博士(共同通訊作者)等報道了使用C₃N₄納米片同時作為犧牲模板和混合碳源制備由互聯均一的TiO₂納米顆粒/氮摻雜石墨烯層狀網絡(TiO₂@NFG HPHNSs)組成的分級多孔復合納米片，并在Adv. Mater.上發表了題為“Hierarchical Porous Nanosheets Constructed by Graphene-Coated, Interconnected TiO₂ Nanoparticles for Ultrafast Sodium Storage”的研究論文。上述HPHNSs在5 C下8000次循環后具有高達146 mAh·g^-1的可逆比容量，10 C下20000次循環后比容量為129 mAh·g^-1，20 C下10000次循環后比容量為116 mAh·g^-1以及60 C超高倍率下倍率容量101 mAh·g^-1。該材料是有文獻報道以來循環性能最長、倍率容量最高的TiO₂基SIBs負極材料。TiO₂@NFG HPHNSs前所未有的儲鈉性能應歸因于其獨特的組成和分級多孔2D結構。

【圖文簡介】

圖1 TiO₂@NFG HPHNSs制備過程

TiO₂@NFG HPHNSs制備過程示意圖。

圖2 TiO₂@NFG HPHNSs的形貌和結構表征

a-c) TiO₂@NFG的FESEM圖像；

d,e) TiO₂@NFG的TEM圖像，e圖內插為相應的SAED圖案；

f) TiO₂@NFG的HRTEM圖像；

g-i) TiO₂@NFG的HAADF-STEM圖像；

j-o) TiO₂@NFG的HAADF圖像及相應的元素分布。

圖3 TiO₂@NFG電極的電化學性能

a) CV曲線(掃速0.1 mV·s^-1)；

b) 0.5 C下選定循環的充放電曲線；

c,d) 0.5 C/2 C下的循環性能；

e) 倍率循環性能；

f) TiO₂@NFG與其他最近報道的TiO₂基電極倍率容量比較。容量已歸一化為相同倍率 (1 C = 335 mA·g^-1)。

圖4 TiO₂@NFG儲鈉性能的機理分析和第一性原理計算

a) GITT電壓曲線；

b) 反應電阻；

c) 0.1-100 mV·s^-1掃速下的CV曲線；

d) 峰電流和掃速之間關系的b值分析；

e) 歸一化容量隨掃速的變化；

f) 不同掃速下，電容/擴散控制電荷的貢獻比；

g,h) m-TiO₂和TiO₂@NFG的DOSs計算；

i) NFG到TiO₂界面的鈉離子擴散路徑以及相應的能量曲線。內插為氮摻雜缺陷的結構和鈉離子擴散示意圖。

【小結】

研究人員使用C₃N₄納米片同時作為犧牲模板和混合碳源，首次制備了TiO₂@NFG HPHNSs。在所得HPHNSs結構中，互聯均一的TiO₂納米顆粒封裝于寡層石墨烯網絡，進而組裝成分級多孔2D復合納米片結構。石墨烯涂層提升了復合結構的導電性和穩定性，限制了TiO₂粒子尺寸，有利于儲鈉性能提升。TiO₂@NFG HPHNSs具有較高的可逆容量、超長的循環穩定性以及杰出的倍率性能。鑒于該獨特2D復合納米結構簡單的制備方法，TiO₂@NFG作為高功率、高能量SIBs負極材料的前景良好。

文獻鏈接： Hierarchical Porous Nanosheets Constructed by Graphene-Coated, Interconnected TiO₂ Nanoparticles for Ultrafast Sodium Storage?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705788)

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