洛陽理工Chem Eng J：原子級Co/Ni雙活性位點助力MOF衍生富氮摻雜碳空心納米籠儲鋰性能的提升

【背景介紹】

目前，碳基負極材料仍然是鋰離子電池中應用最廣泛的材料，特別是在實際應用中。商業化的鋰離子電池一般采用石墨作為負極材料，但局限于其較低的理論比容量（372 mAh/g）、循環穩定性和倍率性能。因此，開發具有高比容量、優良速率和循環性能的新型碳基負極材料仍然是儲能的一個熱點問題。由于碳基負極材料儲鋰是通過贗電容和在其法拉第過程中進行插入機制來實現的，所以通過調整負極材料的結構、反應環境和電導率是提高其鋰儲存性能的主要方法。這主要歸因于材料的這些特性決定了它們對鋰的親和力、質量和電荷轉移速率以及電解質潤濕性。一些有效途徑已經被用于提高負極材料性能，如預理化用于改善鋰的親和力，雜原子摻雜提高導電性。在結構方面，空心和多孔結構被巧妙設計去緩解體積膨脹和有效縮短鋰離子的擴散距離。此外，由于單原子獨特的量子效應、高的催化活性和最優的原子利用率也已經應用于電池系統，如鋰金屬電池、鋰硫電池、鈉離子電池和鋅空氣電池等等，但應用于鋰離子電池負極材料的研究卻很少。

【成果簡介】

基于此，近日洛陽理工學院的王芳副教授團隊與河南科技大學雷建飛副教授團隊合作報道了一篇基于原子級Co/Ni雙活性位點助力MOF衍生富氮摻雜碳空心納米籠對其儲鋰性能的提升的文章。該文章采用外延生長和高溫熱解策略制備了原子級Co/Ni雙金屬活性位點修飾的富氮摻雜碳的空心納米籠復合材料，并將其作為鋰離子電池負極，通過實驗和理論計算揭示了材料的儲鋰性能和原子級Co/Ni雙金屬活性位點在儲鋰過程中的作用機制。歸功于材料本身具有的原子級別的Co/Ni雙活性位點，具有超強的Li親和力和催化作用，同時擁有相互交聯的結構優勢，所制備的負極材料表現出優異的儲鋰能力，提高了電池的比容量和長期循環穩定性，并具有出色的倍率性能，理論計算進一步證實了原子級Co/Ni雙活性位點的親鋰性質。研究成果以“Atomic Co/Ni Active Sites Assisted MOF-Derived Rich Nitrogen-Doped Carbon Hollow Nanocages for Enhanced Lithium Storage ”為題發表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal（影響因子：10.652）上，其中洛陽理工學院王芳副教授為第一作者兼通訊作者，河南科技大學雷建飛副教授為共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1 ?MOFs衍生的氮摻雜超級碳負極材料（N-C@Co/Ni HDNCs）制備示意圖

圖2 MOFs衍生的氮摻雜超級碳負極材料（N-C@Co/Ni HDNCs）結構表征：（a-c）SEM 圖片（d-g）TEM和球差校正的HAADF-STEM（h）元素分布圖

圖3 MOFs衍生的氮摻雜超級碳負極材料（N-C@Co/Ni HDNCs）的電池性能結果

圖4 MOFs衍生的氮摻雜超級碳負極材料（N-C@Co/Ni HDNCs）的理論計算結果

【小結】

本文以含有CoNi的雙金屬MOFs作為前體，通過高溫熱解獲得含單原子活性位點的MOFs衍生氮摻雜碳空心納米籠材料，通過調節單原子Co/Ni活性位點的親鋰性和協同催化作用實現高效儲鋰，并結合理論計算來研究該具有單原子活性位點的碳基負極材料的儲鋰性機制。所制備的N-C@Co/Ni HDNCs作為鋰離子電池負極材料時表現出優異的倍率性能和循環穩定性。優異的儲鋰性能主要源自于原子級Co/Ni雙金屬活性中心高的催化作用，降低了反應活化能，加快反應動力學，同時，由原位生長的碳納米管、金屬合金納米顆粒和豐富氮摻雜空心多孔碳基質構建的發達的三維導電網絡不僅增強了材料的導電性，為離子和電子的快速傳輸提供了通道，而且內部空心結構也減輕了體積膨脹。理論計算結果表明相對于只有鈷單原子位點，具有適中電負性鎳的引入可以獲得更均勻的電場分布，避免在大電流放電過程中局部電場過大的發生。原子級Co/Ni雙金屬活性位具有適中的鋰吸附能，有利于充放電過程中鋰的吸附和脫出。

【文章鏈接】

Atomic Co/Ni Active Sites Assisted MOF-Derived Rich Nitrogen-Doped Carbon Hollow Nanocages for Enhanced Lithium Storage

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127583

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