南開卜顯和Adv. Energy Mater. : MOF衍生氮摻雜褶皺碳箔在儲鈉中的應用

【引言】

具有高度有序孔隙和均勻金屬位點的金屬-有機框架(MOF)是用于構建碳框架材料的新型前驅體，其具有易于調節的特點。其中，2D MOF納米結構已經引起了對構建MOF衍生碳材料的越來越多的研究興趣。與塊狀MOF晶體相比，2D MOF材料作為前驅體具有更多優勢，如更大的表面積以及更豐富的活性位點。此外，它們能夠在熱解過程中防止材料聚集，并且有利于構建多重孔隙。最近的研究表明，將2D材料集成到3D宏觀結構中，如3D大孔MXene、3D石墨烯和3D二硫化鉬，可以為電極材料中離子和電子傳輸不良的問題提供良好的解決方案，進而制備出高性能器件。因此，成功制備2D MOF衍生碳材料將具有重要意義。

【成果簡介】

近日，南開大學卜顯和教授(通訊作者)等制備了由MOF納米片衍生的多級孔氮摻雜褶皺碳箔，將其用作高性能鈉儲存材料，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Nitrogen-Doped Wrinkled Carbon Foils Derived from MOF Nanosheets for Superior Sodium Storage”的研究論文。新型氮摻雜碳納米材料是通過熱解2D 錳基MOF合成的。2D MOF通過單齒配體鹽的輔助產生，以實現MOF的平面生長。隨后在氨氣氣氛下熱解， 2D MOF的表面形成Na₂CO₃的保護層，錳離子則轉化成MnO顆粒。進一步地用酸溶液中洗去二者即可產生分級孔隙和通道，以允許快速的離子傳輸。所得材料用作鈉離子電容器負極材料時展現出高倍率性能(電流密度為8和10 A·g^-1時分別為165和150 mA h·g^-1)，高穩定性(1.0 A·g^-1 1000次循環后容量保持率為72.8%)。

【圖文簡介】

圖1 氮摻雜褶皺碳箔(NC-1)的制備過程

由塊體Mn-MOF制備氮摻雜褶皺碳箔(NC-1)的過程示意圖。

圖2 不同材料的形貌表征

a,e) 塊體Mn-MOF的SEM圖像和TEM圖像；

b,f) 2D Mn-MOF的SEM圖像和TEM圖像，內插為電子衍射圖像；

c,g) MNC-1的SEM圖像和TEM圖像；

d,h) NC-1的SEM圖像和TEM圖像。

圖3 NC-1的形貌表征

a,b) NC-1的SEM圖像；

c,d) NC-1的TEM和HRTEM圖像。

圖4 不同材料的元素分布

a) MNC-1的STEM圖像及其相應的EDS元素分布；

b) NC-1的STEM圖像及其相應的EDS元素分布。

圖5 材料的結構表征

a) 塊體Mn-MOF、2D Mn-MOF、MNC-1和NC-1的XRD圖譜；

b) NC-1、MNC-1和2D Mn-MOF的FTIR光譜；

c) NC-1和MNC-1的N2吸-脫附曲線；

d) NC-1和MNC-1的孔徑尺寸分布。

圖6 材料的表面元素和結構表征

a) C-1的TEM圖像；

b) NC-2的TEM圖像；

c) NC-3的TEM圖像；

d) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的N 1s XPS光譜；

e) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的C 1s XPS光譜；

f) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的Raman光譜。

圖7 材料的電化學儲鈉性能

a) NC-1初始5個循環的CV曲線，內插為NC-1初始充-放電曲線；

b) NC-1、C-1和BC-1的倍率容量；

c) NC-1電極與近期報道的其他碳基電極倍率容量的比較；

d) 1.0 A·g^-1下NC-1、C-1和BC-1循環性能。

【小結】

綜上所述，作者提供了一種使用2D Mn-MOF作為前驅體合成具有多級孔結構的氮摻雜皺褶碳箔的方法。在氨氣氣氛下的熱解過程中誘導阻擋劑和錳離子轉化為Na₂CO₃和MnO納米顆粒，隨后在酸蝕刻后產生了豐富的孔道。該材料不僅展現出褶皺的結構，而且其摻雜氮活性位點可調。利用有效的離子傳輸路徑以及不間斷的電子傳導網絡，氮摻雜皺褶碳箔電極能夠同時實現高容量和循環穩定性。該策略為制備可用于高儲能系統的氮摻雜碳電極的通用材料設計提供了新的思路。

文獻鏈接：Nitrogen-Doped Wrinkled Carbon Foils Derived from MOF Nanosheets for Superior Sodium Storage?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801515)

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