Small：基于“相分離”多孔碳納米管的高性能鈉離子電池負極

【引言】

核殼結構在最近的研究中越來越受到很大的關注，尤其是在催化，儲能方面得到廣泛的應用。核殼結構不僅具有較短的離子擴散路徑，較大的電極/電解液界面面積和有效的電子傳遞途徑，而且可以有效地緩解在循環過程中納米顆粒的體積膨脹，所以選擇制備核殼的復合材料會是不錯的選擇。同時在此基礎上可將核層刻蝕得到空心的殼層結構。

【成果簡介】

最近，湖南大學張明課題組與University of Washington的Guozhong Cao課題組合作，在利用鉬酸銨/聚乙烯醇體系相分離現象制備MoO₂@C納米纖維的基礎上（Advanced Materials Interfaces 2017, 4 (3), 1600816），通過去除MoO₂而制得了多孔的碳納米管，得到了兼具高容量和長壽命鈉離子電池負極。相關成果分別以“A Phase-Separation Route to Synthesize Porous CNTs with Excellent Stability for Na⁺ Storage”為題、以封面論文的形式發表在 Small。

【圖文導讀】

圖1 相分離

(a) 鉬酸銨與PVA的前軀體溶液

(b-d) 鉬酸銨的濃度分別為0, 1%，10%的光學顯微鏡圖片

?圖2 前軀體掃描電鏡mapping

退火前的掃描mapping，發現Mo是均勻分散在納米纖維中，核殼結構的形成是在退火過程中。

圖3 核殼MoO₂@C納米線SEM, XED, Raman

(a,b)核殼MoO₂@C納米線掃描電鏡圖片

(c,d) 核殼MoO₂@C納米線XRD和拉曼

?圖4 核殼MoO₂@C納米線 TEM

(a,b) 核殼MoO₂@C納米線透射電鏡圖片；

(c,d) MoO₂ 的晶格、電子衍射；

(e) 復合纖維中，碳、鉬、氧元素分布圖，證實其核殼結構。

?圖5 空心碳納米管示意圖，XRD

(a)闡述多孔碳納米管制備過程

(b)硝酸處理前的XRD

(b)硝酸處理后的XRD，證明MoO₂已經刻蝕沒了

?圖6多孔碳納米管表征

（a,b）核殼MoO₂@C納米線掃描電鏡圖片（850℃）

（c,d）多孔碳納米管透射電鏡圖片

（e,f）多孔碳納米管的raman、BET

?圖7 多孔碳納米纖維的XPS分析

(a) 多孔碳納米管的XPS全譜，顯示只有碳、氮、氧的存在；

(b-d) 分別是碳、氧、氮元素的精細XPS譜圖。

?圖8 多孔碳納米纖維的鈉電性能

(a, b) 多孔碳納米管作為鈉離子電池負極的循環伏安曲線（0.25 mV/s）和充放電曲線（0.5 A/g）

(c) 多孔碳納米管在不同電流密度下的儲鋰性能

(d-f) 多孔碳納米管分別在電流密度為0.5,1,5 A/g下的循環性能

【小結】

通過簡單的單軸電紡得到核殼的MoO₂@C納米線，揭示了核殼結構形成機理，并具有高容量長循環的儲鋰優勢。經過熱的稀硝酸處理得到的多孔碳納米管具有高的比表面積，有利于鈉離子遷移。多孔性更能提供更多的活性吸附位點。所以作為鈉離子電池的負極，多孔碳納米管展現出優異的性能。

原文鏈接：A Phase-Separation Route to Synthesize Porous CNTs with Excellent Stability for Na+ Storage（ Small, 2017，DOI: 10.1002/smll.201604045）

本文由湖南大學張明教授投稿，材料人新能源組背逆時光整理編輯。

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