​华南理工黄建林课题组:以双金属ZIFs材料为模板构筑钴@氮掺杂多孔立方框架碳材料助力室温钠硫电池性能

​华南理工黄建林课题组:以双金属ZIFs材料为模板构筑钴@氮掺杂多孔立方框架碳材料助力室温钠硫电池性能【研究背景】

室温钠硫电池(RT-Na/S)因其高的理论比容量、价格低廉以及环境友好等优势而成为最有潜力的下一代储能器件。然而正极硫及其放电产物存在导电性低、活性物质硫在充放电过程中存在较大体积膨胀、中间产物多硫化物溶于电解液所造成的“穿梭效应”以及滞后的多硫化物转化动力学等问题,导致室温钠硫电池的循环稳定性较差。因此,合理设计一种集高效多硫化钠吸附能力及催化多硫化物转化的多功能硫载体材料是至关重要的。

 

【工作介绍】

近日,华南理工大学黄建林老师课题组以双金属ZIFs材料为模板构筑了具有三维立方体结构的金属钴@氮掺杂碳材料(CNTs/Co@NC),作为室温钠硫电池载硫载体。具有立方体结构的CNTs/Co@NC不仅能通过强化学吸附能力有效地锚定多硫化钠,而且能加速硫与多硫化钠之间的氧化还原动力学,实现结构-吸附-催化调控的协同效应,以此获得了优越的电化学性能。通过理论计算、多硫化物吸附、电化学测试等多种实验,揭示了CNTs/Co@NC对多硫化钠的吸附以及催化转化作用机制。该成果以“Metal-Organic Frameworks-Derived Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanocubes with Embedded Co Nanoparticles as Efficient Sulfur Immobilizers for Room Temperature Sodium-Sulfur Batteries”为题发表在国际期刊Small Methods上。本文第一作者为华南理工大学博士生牟机熔和广东工业大学李艺娟副教授,通讯作者为华南理工大学黄建林老师

 

【内容表述】 

​华南理工黄建林课题组:以双金属ZIFs材料为模板构筑钴@氮掺杂多孔立方框架碳材料助力室温钠硫电池性能

图1 S@CNTs/Co@NC的合成示意图 

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图2 ZnCo-ZIFs前驱体的SEM(a,b), CNTs/Co@NC-0.25的SEM(c, d)) , TEM(e, f), HR-TEM(g)和SAED图(h), S@CNTs/Co@NC-0.25的STEM-HADDF图及其所对应的元素分布图(k) 

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图3. CNTs/Co@NC-0.25的XRD图(a), Raman光谱图(b),吸附脱附曲线(c); S@CNTs/Co@NC-0.25的TGA图(d); CNTs/Co@NC-0.25的N 1s (e)和Co 2p (f)的XPS图, 

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图4. S@NC、S@CNTs/Co@NC和S@Co@NC在0.1 C的循环性能图(a); S@CNTs/Co@NC-0.25和S@NC的充放电曲线图(b); S@CNTs/Co@NC-0.25的CV曲线(c); S@NC、S@CNTs/Co@NC和S@Co@NC的倍率性能图(d); S@CNTs/Co@NC-0.25不同倍率下的充放电曲线(e);倍率性能与其他文献报道正极材料的性能对比图(f); S@CNTs/Co@NC-0.251.0 、2.0和5.0下的长循环性能图(g); S@NC、S@CNTs/Co@NC和S@Co@NC循环100圈后的交流阻抗图(h) 

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图5. S@CNTs/Co@NC-0.25不同硫面载量下的倍率性能图(a),充放电曲线(b)和0.5 C的循环性能图(c) 

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6. 对称电池CV曲线(a),多硫化物吸附及紫外光谱图(b),C、N-C和Co-N-C对Na2S和Na2S6的吸附能和优化结构模型图(c),CNTs/Co@NC实现多硫化物催化转化的机理图(d-e)

 

【总结】

此项工作利用双金属ZIFs为模板构筑多孔金属钴@氮掺杂碳材料(CNTs/Co@NC),该材料是一种集电子导电、Co-N协同双催化、抑制多硫离子穿梭等于一体的多功能载体。其具有的大比表面积和丰富孔道有利于对多硫化钠的物理吸附,Co-N双效催化剂则对硫的还原和氧化过程具有高效的催化,从而有效地抑制了多硫化钠的穿梭效应,减少了活性材料的损失,克服了电池容量的衰减,改善了电化学反应的动力学,极大地提升了室温钠硫电池的电化学性能。电化学测试结果显示,S@CNTs/Co@NC-0.25提供了优异的倍率性能,在5.0 C,其容量高达 474.2 mAh g−1;且分别在1.0 C和5.0 C循环400次后,容量分别保持在450.5 mAh g−1 292 mAh g−1。本工作提供了基于结构-吸附-催化的设计,促进了高倍率、高稳定室温钠硫电池的发展。

 

Jirong Mou, Yijuan Li, Ting Liu, Wenjia Zhang, Mei Li, Yuting Xu, Lei Zhong, Wenhao Pan, Chenghao Yang, Jianlin Huang, Meilin Liu, Metal–Organic Frameworks-Derived Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanocubes with Embedded Co Nanoparticles as Efficient Sulfur Immobilizers for Room Temperature Sodium–Sulfur Batteries, Small Methods, 2021, DOI:10.1002/smtd.202100455

 

作者(课题组)简介:

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华南理工大学黄建林老师课题组围绕基于纳米技术和工程学交叉背景,主要从事能量存储与转换、电催化方面研究:(1)柔性电子功能薄膜材料的设计及其柔性电子器件应用开发;(2)CO2、有机污染物(热、电)催化还原;(3)生物质基材料(如,纳米纤维素、木材等)的高值化利用。近年来,以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、 Adv. Fun. Mater.、J. Mater. Chem. A、Small Methods等知名期刊发表学术论文50余篇;申请国家发明专利10余项(授权6项)。先后主持国家自然科学基金青年、面上项目;广东省、广州市等科研项目。多次受邀在国际能源化学、环境化学相关大会上做邀请报告及担任分会主席。

 

课题组网址:http://sites.scut.edu.cn/jhuang/main.psp


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参考文献: