科研新聞

工學院鄒如強課題組在制備硼氮共摻雜碳納米管材料方面取得新進展

2019-09-11

 

近日,工學院鄒如強课题组在制备硼氮共掺杂碳纳米管材料方面取得新进展,成功制备了一种新型硼氮共掺杂碳纳米管包覆的纳米芽状方硒钴矿型CoSe2纳米材料,并对其储钠机制进行了详细研究,该材料作为钠离子电池负极材料展现出了高容量和高倍率性能,相应成果在线发表在《先进能源材料》上(Advanced Energy Materials,https://doi.org/10.1002/aenm.201901778)。

近年来,北京大學鄒如強课题组在制备硼氮共掺杂碳纳米管包覆金属复合材料领域开展研究工作,并取得了系列进展。开发了简单溶液-热解法制备硼氮共掺杂碳纳米管材料(BCN),并研究了形貌控制机制,该材料展现出了优越的电催化氧还原性能(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475);引入三聚氰胺海绵基底,实现了大规模制备该材料,并成功用于超级电容器(J. Mater. Chem. A, 2018,6, 21225-21230);进一步在合成过程中利用MOF前驱体引入金属元素,并通过热解磷化方式成功制备出硼氮共掺杂碳纳米管包覆磷化钴纳米材料,展现出了良好的氢析出性能(Adv. Energ. Mater., 2017, 1601671.);通过精确形貌控制,成功制备了系列硼氮共掺杂碳纳米管包覆中空Ni、Co、Mn等金属氧化物材料并用于高性能锂离子电池(Adv. Mater. 2018, 30, 1705441);并应邀在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Recent advances in confining metal-based nanoparticles into carbon nanotubes for electrochemical energy conversion and storage devices”的综述文章,总结了目前碳纳米管包覆金属纳米复合材料在电化学能源存储和转换领域的进展(doi:10.1039/C9EE00315K)。

由于地殼中鈉的豐度較高以及成本低等優勢,可充電鈉離子電池(NIBs)在儲能領域引起了廣泛的關注,展現出了替代锂離子電池的巨大潛力。然而鈉離子由于其更大的離子半徑,導致其電化學動力學過程更加緩慢,電極材料循環穩定性往往更差,因此,開發具有良好性能的電極材料以及深入研究鈉離子電池的儲鈉機理顯得十分必要。過渡金屬二硫族化合物(TMD)由于其低成本以及優越的物理化學性質被認爲是理想的電極材料,其中方硒钴礦型CoSe2 由于其晶體結構構成爲兩個Se原子嵌入到Co的晶格結構中,這種結構對于快速鈉離子存儲具有十分關鍵的作用。基于此,鄒如強課題組通過簡單的熱解和硒化方法成功制備出硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒钴礦型CoSe2纳米材料 (图1),这种材料展现出了超高容量。在循环100次后,在电流密度100 mA g?1时仍然具有580 mA h g?1的高容量,同时具有超高的倍率性能和稳定性,在电流密度8 A g?1時循環4000圈後仍能維持98%的容量(圖2)。通過表征儲鈉的電化學過程以及電池循環後材料形貌的變化並結合理論計算分析,結果表明硼氮共摻雜的碳納米管和CoSe2間的協同作用大大增強了鈉離子電池的容量和穩定性。


图1. 硼氮共掺杂碳纳米管包覆的纳米芽状方硒钴矿型CoSe2材料合成示意圖


图2. 电池循环后材料结构分析

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials,该工作第一作者为工学院博士後Hassina Tabassum,通讯作者为鄒如強教授。該研究獲得國家自然科學基金傑出青年科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、國家青年拔尖人才支持計劃等項目資助。