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北京科技大学AFM: 基于金属-有机框架的微/纳结构Ni2P/Ni@C可控制备及其高效析氢/储锂应用

【研究背景】

    近年来,化石能源短缺及其带来的环境污染已经成为人类社会面临的重大问题,而实现高效的能源转换和存储是解决能源问题的关键。电解水制氢和二次离子电池由于其高能量转化效率和环境友好的特性,日趋成为清洁能源高效利用的基础技术。尽管它们的反应机理不同,但开发具有高反应活性和良好耐受性的电化学活性材料对二者的性能提升都至关重要。目前,过渡金属磷化物TMP作为极具应用前景的析氢反应(HER)电催化剂和锂离子电池(LIBs)负极材料受到广泛关注。然而,本征孔隙率较小和电子传导性较差等缺点严重限制了TMP的电化学性质。因此,合理设计具有微/纳结构、高电子电导率的双功能TMP活性材料,并探索其应用和机理具有十分重要的意义。

【成果介绍】

    近日,北京科技大学范丽珍教授和清华大学南策文院士团队利用镍基金属-有机框架材料(Ni-MOF)作为前驱体,实现了对具有碳包覆层Ni2P/Ni杂化材料(Ni2P/Ni@C)的可控制备。在充分利用MOFs结构特点的情况下,这种新型的Ni2P/Ni@C材料具有以下几个优势:(1)多级微/纳结构可以增强电极和电解液之间的接触面积;(2)镍核和碳包覆层在增强体系导电性的同时,碳包覆层还可以有效防止活性材料团聚和粉化;(3)Ni2P和Ni的共存协同保证了体系的快速电荷转移和高电化学活性。得益于独特的构造和组分优势,Ni2P/Ni@C展现出优越的能源转换和存储特性:一方面,作为HER电催化剂,优化后的Ni2P/Ni@C在酸性条件下驱动10mA/cm2电流仅需要149mV的过电位;并且CV循环1000圈后,性能几乎没有衰减。根据密度泛函理论,Ni2P与Ni之间的强协同效应可以优化电子结构,获得更优的吉布斯氢自由能;另一方面作为LIBs的负极材料,Ni2P/Ni@C电极在1000mA/g的电流密度下1000次循环后,容量依然可以达到597mAh/g,并展现出优异的倍率性能(3000mA/g下419mAh/g)。另外,通过动力学计算探究了赝电容对电荷存储的贡献率;通过非原位XRD和XPS探究了其充放电过程中锂离子的嵌入脱出机理。该工作为MOF基过渡金属磷化物/过渡金属杂化材料的设计合成、并应用于电化学能源存储和转换提供了新的思路。北京科技大学AFM: 基于金属-有机框架的微/纳结构Ni2P/Ni@C可控制备及其高效析氢/储锂应用

(a)Ni2P/Ni@C作为HER电催化剂的优异性能;(b)不同催化剂对氢吸附自由能的理论计算结果;(c) DOS曲线计算结果;(d)Ni2P/Ni@C和Ni2P@C作为锂电负极材料,在不同电流密度下的倍率性能;(e)Ni2P/Ni@C在0.2mV/s下的循环伏安曲线;橙色区域表示的是非扩散限制电流控制的面积。  

    该文章发表在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上。本研究工作的作者依次为刘晓斌、李雯昕、赵旭东、刘永畅、南策文、范丽珍(通讯作者)。本成果在国家自然科学基金(51532002,51872027)、北京自然科学基金(L172023,L182019)、国家重点研究和发展项目(2016YFA0202500,2017YFE0113500,2018YFB0104300)的资助下完成。

Xiaobin Liu, Wenxin Li, Xudong Zhao, Yongchang Liu, Ce‐Wen Nan, Li‐Zhen Fan*, Two Birds with One Stone: Metal–Organic Framework Derived Micro‐/Nanostructured Ni2P/Ni Hybrids Embedded in Porous Carbon for Electrocatalysis and Energy Storage, Advanced Functional Materials, 2019, DOI:10.1002/adfm.201901510

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参考文献:Advanced Functional Materials

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