Adv. Mater. : 一步構筑氮磷共摻雜多孔碳片/CoP復合材料及其增強儲鋰/鉀性能

【引言】

作為一類重要的功能材料，過渡金屬磷化物(TMPs)是鈉離子電池和鉀離子電池(PIB)的新型負極材料，其在原則上可以基于轉化反應機理具有更高的理論容量。然而，由于缺乏簡便適宜的制備方法，TMPs似乎并未得到充分研究。此外，較多報道的TMPs合成路線通常較為復雜，以次磷酸鈉(NaH₂PO₂)或高沸點有機溶劑作為磷源，需要進行多步實驗才能得到。因此，上述方法對于低成本、大規模生產而言不具有競爭力。還應提及的是，盡管TMPs具有較高理論容量和低氧化還原電壓，但在鋰化/脫鋰過程中其較大的體積變化導致快速的容量衰減；同時，它們固有的低電導率難以匹配電化學反應動力學，導致倍率容量較差。因此，設計有效的合成途徑，在調控TMP的形態和組成的同時保持其結構完整性，綜合考量對電化學性能的顯著影響。

【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)等利用自模板和重結晶-自組裝策略一步合成核-殼狀磷化鈷(CoP)納米顆粒嵌入氮磷共摻雜多孔碳片(CoP?NPPCS)，并在Adv. Mater.上發表了題為“One-Step Construction of N,P-Codoped Porous Carbon Sheets/CoP Hybrids with Enhanced Lithium and Potassium Storage”的研究論文。依靠三聚氰胺與金屬離子的異常配位能力以及三聚氰胺與植酸的協同氫鍵形成二維網絡，可獲得自組成的單一前體。重要的是，該方法可以很容易地擴展合成其他TMPs?NPPCS。由于獨特的成分和結構特征，上述CoP?NPPCSs作為鋰離子和鉀離子電池的負極材料具有優異的電化學性能。獨特的復合結構、高比表面積和多孔特征使得CoP?NPPCS有望在其他領域中得到應用，例如超級電容器和電催化等。

【圖文簡介】

圖1 CoP?NPPCS制備過程

核-殼狀磷化鈷(CoP)納米顆粒嵌入氮磷共摻雜多孔碳片(CoP?NPPCS)制備過程示意圖。

圖2 CoP?NPPCS的形貌和結構表征

A-C) CoP?NPPCS的FESEM圖像；

D,E) CoP?NPPCS的TEM圖像，E圖內插為相應的SAED圖案；

F) CoP?NPPCS的HRTEM圖像；

G-I) CoP?NPPCS的HAADF-STEM圖像，H圖內插為斜方相CoP中的Co結構；

J-N) CoP?NPPCS的STEM圖像及相應的元素分布(鈷(K圖)，磷(L圖)，碳(M圖)，氮(N圖))；

O-Q) CoP?NPPCS的P 2p (O圖)、Co 2p (P圖)和N 1s (Q圖)XPS光譜。

圖3 CoP?NPPCS的儲鋰電化學性能

A) 0.2 A·g^-1電流密度下的充放電電壓曲線；

B) 不同電流密度下的充放電曲線；

C) 不同電流密度下的倍率性能；

D,E) 不同電流密度下循環性能以及相應的CE。

圖4 CoP?NPPCS的儲鉀電化學性能

A) 0.1 A·g^-1電流密度下的充放電電壓曲線；

B) 不同電流密度下的充放電曲線；

C) 不同電流密度下的倍率性能和容量保留；

D) 0.1和0.5 A·g^-1電流密度下循環性能以及0.1 A·g^-1下的CE。

【小結】
綜上所述，作者利用新型自模板和重結晶-自組裝策略一步制備了CoP?NPPCS復合材料。此外，對不同金屬的前驅體也進行了探索，成功獲得了各種金屬磷化物?NPPCS，有力地證實了該合成策略的普適性。所得CoP?NPPCS復合材料集成了微-納結構的優越性，在復合材料內具有良好的電子和離子傳輸。因此，CoP?NPPCS結構作為LIB和PIB的負極材料具有優越的電化學性能，顯示出巨大的前景。

【團隊介紹】

研究團隊成員包括熊勝林教授、奚寶娟副教授、毋芳芳、褚衍婷和魏入朝三位博士后，以及碩博研究生10人。團隊負責人熊勝林教授2013年獲得山東省自然科學杰出青年基金資助。團隊主要圍繞先進能源材料與無機合成化學開展研究：主要從事無機介觀尺度組裝的設計、精準制備與儲能研究，包括鋰/鈉/鉀離子電池和鋰硫電池等方面的應用基礎研究。自2014年以來，團隊已在Angew. Chem. Int. Ed (1篇)、Adv. Mater. (4篇)、Energy Environ. Sci. (1篇)、Adv. Energy Mater. (3篇)、Adv. Funct. Mater. (3篇)、Nano Energy (1篇)和J. Mater. Chem. A (10篇)等國內外學術期刊上發表SCI收錄論文40余篇，被他人引用近2000次，其中有9篇論文入選ESI高引用論文。

【團隊優質文獻推薦】

[1] Jing Bai, Baojuan Xi, Hongzhi Mao, Yue Lin*, Xiaojian Ma, Jinkui Feng, Shenglin Xiong*, One-step Construction of N,P-Codoped Porous Carbon Sheets/CoP Hybrids with Enhanced Lithium and Potassium Storage,?Adv. Mater.,?2018, 30(xx),DOI:10.1002/adma.201802310.? ??

[2] Baosong Li, Baojuan Xi, Zhenyu Feng, Yue Lin*, Jincheng Liu, Jinkui Feng, Yitai Qian, Shenglin Xiong*, Hierarchical porous nanosheets constructed by graphene-coated, interconnected TiO₂?nanoparticles for ultrafast sodium storage,?Adv. Mater.,?2018, 30, 1705788.

[3] Jinlin Yang, Zhicheng Ju*, Yong Jiang, Zheng Xing, Baojuan Xi, Jinkui Feng, Shenglin Xiong*, Enhanced capacity and rate capability of Nitrogen/Oxygen dual-doped hard carbon in capacitive potassium ion storage, Adv. Mater.,?2018, 30, 1700104.

[4] Yanting Chu,?Lingyu Guo, Baojuan Xi, Zhenyu Feng, Fangfang Wu, Yue Lin*, Jincheng Liu, Di Sun*, Jinkui Feng, Yitai Qian, Shenglin Xiong*, Embedding MnO@Mn₃O₄ Nanoparticles in an N-Doped-Carbon?Framework?Derived from Mn-Organic Clusters for??Efficient?Lithium?Storage,?Adv. Mater.,?2018,?30, 1704244.

[5] Fangfang Wu,??Shenglin Xiong*, Yitai Qian, Shuhong Yu*,?Hydrothermal synthesis of unique hollow hexagonal prismatic pencils of?Co₃V₂O₈·nH₂O: a new anode material for lithium-ion batteries,?Angew. Chem. Int. Ed.,?2015, 54, 10787?10791.

[6] Yong Jiang, Min Wei, Jinkui Feng, Yuchen Ma,?Shenglin Xiong*, Enhancing the cycling stability of Na-ion batteries by bonding SnS₂ ultrafine nanocrystals on amino-functionalized graphene hybrid nanosheets,?Energy Environ. Sci.,?2016, 9, 1430?1438.

文獻鏈接：One-Step Construction of N,P-Codoped Porous Carbon Sheets/CoP Hybrids with Enhanced Lithium and Potassium Storage?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802310)

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