Adv. Energy Mater.: 反蛋白石結構碳包覆過渡金屬硫化物量子點納米復合材料用于高性能儲鈉

【引言】

? ? ? ? 鈉離子電池(SIBs) 具備儲量豐富、成本低等優勢，有望成為鋰離子電池的理想替代品。然而，常見的SIB負極材料理論比容量低，倍率性能和循環穩定性均不理想。為了緩解以上缺陷，本文設計了一種簡單、可靠的方法，制備得到了儲鈉性能優異的反蛋白石結構碳包覆過渡金屬硫化物量子點納米復合材料。研究發現：該復合材料為3D有序多孔結構，過渡金屬硫化物量子點在導電碳基質中均勻分散；導電碳基質引入不僅可以有效緩沖循環過程中體積變化引起的應變，而且可以有效改善電極的導電性。

【成果簡介】

? ? ? ? 近日，中科院海西研究院的溫珍海教授和福州大學的詹紅兵教授（共同通訊作者）團隊，通過模板法將過渡金屬硫化物量子點嵌入到三維大孔碳骨架中，成功制備了反蛋白石結構的碳包覆過渡金屬硫化物量子點納米復合材料(3DOM TMs-QDs@NC)。實驗結果表明:該納米復合材料作為SIB負極材料時，具有較高的可逆容量，優異的倍率性能和超過2000次的循環穩定性。相關成果以“Reliable and General Route to Inverse Opal Structured Nanohybrids of Carbon-Confined Transition Metal Sulfides Quantum Dots for High-Performance Sodium Storage”為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

示意圖-1. 3DOM TMs-QDs@NC的合成過程示意圖

圖-1. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的電鏡圖片及元素分布

(a)-(c) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的FE-SEM圖像；

(d)-(f) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的TEM圖像；

(g) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的高分辨透射電鏡(HR-TEM)圖像；

(h) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的暗場STEM圖像；

(i) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的EDX元素分布圖像。

圖-2. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的XRD圖像及Co₉S₈的立方結構示意圖

(a) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的XRD圖像；

(b) Co₉S₈的立方晶體結構示意圖。

圖-3. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的拉曼光譜、XPS能譜、氮氣吸附脫附等溫線及其孔徑分布曲線

(a) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的拉曼光譜；

(b) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的XPS能譜；

(c)-(e) Co, S, N對應的高分辨率XPS能譜；

(f) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的氮氣吸附脫附等溫線及其孔徑分布曲線。

圖-4. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC復合材料的電化學性能測試曲線

(a) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的循環伏安(CV)曲線；

(b) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的恒流充放電曲線；

(c) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的循環性能曲線；

(d) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的倍率性能曲線；

(e) 不同電流密度下3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的容量保持率；

(f) 不同負極材料的倍率性能對比；

(g) 電流密度為1 A?g^-1時，3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的循環性能及庫倫效率。

圖-5. 不同掃描速率下樣品的CV曲線及容量貢獻分布情況

(a) 不同掃描速率下的CV曲線；

(b) 不同氧化-還原狀態下電流與掃速之間的關系曲線；

(c) 不同掃描速率下，3DOM Co₉S₈-QDs@NC中電容性容量對總容量的貢獻率對比圖；

(d) 掃描速率為6 mV?s^-1時，3DOM Co₉S₈-QDs@NC電容型容量和擴散控制型容量對總容量的貢獻對比圖；

(e) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC和Co₉S₈-QDs@NC電極循環后的Nyquist曲線；

(f) 低頻區3DOM Co₉S₈-QDs@NC和Co₉S₈-QDs@NC 電極中角速度與電阻之間 的關系曲線。

圖-6. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC和Co₉S₈-QDs@NC電極的橫截面SEM圖像以及相應的電化學反應機理示意圖

(a) 初始狀態下3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的橫截面SEM圖像；

(b) 初始狀態下Co₉S₈-QDs@NC電極的橫截面SEM圖像；

(c) 滿充狀態下3DOM Co₉S₈-QDs@NC電極的橫截面SEM圖像；

(d) 滿充狀態下Co₉S₈-QDs@NC電極的橫截面SEM圖像；

(e) 不同充放電倍率下3DOM Co₉S₈-QDs@NC和Co₉S₈-QDs@NC電極內電化學反應機理示意圖。

圖-8. 3DOM Co₉S₈-QDs@NC/Na₃V₂(PO₄)₃鈉離子全電池示意圖及其對應的電化學性能測試曲線

(a) 3DOM Co₉S₈-QDs@NC/Na₃V₂(PO₄)₃電極對構成的鈉離子全電池的示意圖；

(b) 電流密度為0.5 A?g^-1時，鈉離子全電池的恒流充放電曲線；

(c) 電流密度為0.5 A?g^-1時，鈉離子全電池的循環性能。

【小結】

本文通過模板法制備得到了反蛋白石結構的三維碳包覆過渡金屬硫化物量子點納米復合材料。研究發現：該納米復合材料具備優異的儲鈉性能；特殊的微-納結構有效增強了電極材料的離子傳輸和電子傳遞效率，表現出較高的可逆容量和優異的倍率性能、循環穩定性能。該方法為過渡金屬硫化物納米材料在能源儲存與轉化領域的應用拓寬了新的道路。

【文獻信息】

Reliable and General Route to Inverse Opal Structured Nanohybrids of Carbon-Confined Transition Metal Sulfides Quantum Dots for High-Performance Sodium Storage (Adv. Energy Mater. 2018, DOI：DOI: 10.1002/aenm.201801452)

本文由材料人編輯部新人組趙雅香編輯，張杰審核，點我加入材料人編輯部。

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