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微波法快速制备高品质Sb2Se3纳米线用作锂离子电池负极材料

【引言】

V-VI主族金属硫属化合物半导体由于具有典型的窄带隙和尺寸依赖性质,呈现出重要的应用价值。其中,硒化锑(Sb2Se3)是一种具备直接带隙(Eg≈1.11 eV)的代表性半导体材料,在光电器件、热电材料、光伏材料和电化学储能等领域中得到广泛研究。各种新型Sb2Se3纳米结构与其块状物相比,表现出不同的物理和化学性质,尤其是具有高长径比的一维纳米线,因其各向异性而表现出的独特性质得到研究人员密切关注。值得注意的是,由于Sb2Se3具备较高的质量比容量(670 mAh/g),可有望作为锂离子电池和钠离子电池的负极材料。迄今为止,研究人员已经开发了诸如水热/溶剂热合成法、溶胶-凝胶法、微波辅助法、模板辅助法和气-液-固法(vapor-liquid-solid)等制备技术致力于合成一维Sb2Se3纳米结构。然而,据我们所知,大部分方法呈现出高毒性还原剂、耗时长和产量低等缺点。例如水热法通常需要长时间(6-72 h)的高温处理来促进Sb2Se3纳米线的完全劈裂生长;另外,一些涉及表面活性剂或模板剂的试剂难以完全去除,这不利于高品质Sb2Se3纳米线的进一步应用。尽管气体诱导生长法(gas-induced growth)似乎是获得高结晶度产物的有效途径,但严苛的条件和复杂的程序限制了其大规模合成。因此,开发Sb2Se3纳米线的快速、绿色、高产率合成技术方案仍非常需要。

【成果简介】

近日,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室麦立强教授(通讯作者)和法国洛林大学Institut Jean Barriol实验室Jean-Jacques Gaumet教授(共同通讯),开发了快速(0.5 h)、简易、以绿色溶剂导向的高品质Sb2Se3纳米线的微波合成法,在不含任何其他表面活性剂或模板剂的简单乙二醇(EG/H2O溶剂体系中,仅通过改变EG/H2O的体积比即可实现Sb2Se3纳米线和Se微米棒的可控合成。将Sb2Se3纳米线用作于锂离子电池负极材料时,展现出了良好的电化学性能。该文章发表在国际知名期刊Journal of Energy Chemistry上。

 【图文导读】

微波法快速制备高品质Sb2Se3纳米线用作锂离子电池负极材料

图1. Sb2Se3纳米线和Se微米棒的合成机理图

微波法快速制备高品质Sb2Se3纳米线用作锂离子电池负极材料

 图2.不同水/乙二醇溶剂体系下制备产物的SEM及对应XRD图

 在水体系中可以制备出高分散、纯相的Sb2Se3纳米线产物(图2a)。在溶剂体系中引入5 mL EG,则还可获得更短且均匀性较低的纳米线(图2c)。值得注意的是,当EG的量增加到10 mL时,大量的不规则纳米粒子和非均匀纳米线共存(图2e)。有趣的是,除了Sb2Se3的衍射峰外,在样品E5(图2d)和样品E10(图2d)的XRD图谱中都显示了一些归属于六方相硒的弱衍射峰(图2f)。由于混合溶剂的存在,在这种还原环境中能够以某种方式获得斜方相Sb2Se3、结晶硒和抗氧化剂水合物的多组分混合物(图2d);当EG的体积增加至15 mL,产物在形态上发生了显著的变化:产物中没有形成纳米线,而是获得微米尺度的短束和棒。当EG体积进一步增加到20 mL时,即在全部EG溶剂反应体系中,形成直径约2 μm和长度几十微米的均匀的微米棒(图2i)。 XRD结果表明,这些微米棒产物是纯相六方硒(图2j)。进一步通过时间梯度实验、对照实验及pH实验分析等,证实了溶剂导向作用在产物形貌和晶相调控上的重要作用。与以前报道的通过湿化学方法合成Sb2Se3的工作相比,我们的方法呈现出绿色还原剂、反应时间短和纳米线产物品质高等优点。

微波法快速制备高品质Sb2Se3纳米线用作锂离子电池负极材料

图3 . Sb2Se3纳米线的表征分析

微波法快速制备高品质Sb2Se3纳米线用作锂离子电池负极材料

 图4. Sb2Se3纳米线的电化学性能

       所制备的均匀单晶Sb2Se3纳米线沿[001]生长方向,直径为100 nm,长度可达数十微米。通过在简单的EG/H2O溶剂体系中仅改变溶剂体积比,可以容易地实现Sb2Se3纳米线和Se微米棒的可控合成。将其作为锂离子电池的负极材料进行性能评估时,Sb2Se3纳米线表现出良好的循环稳定性和突出的倍率性能:在100 mA/g 电流密度下的其可逆容量高达650.2 mAh/g,在1000 mA/g大电流长期(1000圈)循环后容量保持率为63.8%,以及优异的倍率性能(2000 mA/g下可逆容量为389.5 mAh/g)。这种简易有效的可控合成方法为金属硫族化合物的设计提供了新思路,更好地利用了微波辐射技术在绿色溶剂中合成纳米结构,并展示出了在储能系统中的潜在应用。总之,这项工作提供了一种快速、绿色、廉价和重复性高的合成均匀单晶Sb2Se3纳米线的方法。此外,这种微波辅助合成法可以扩展到其他纳米级先进储能材料制备中,具备良好的应用和发展前景。

     该工作得到中国国家自然科学基金创新研究群体科学基金、国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划纳米科技重点专项、武汉市黄鹤英才(科技)项目、中央高校基础研究基金,以及高等学校学科创新引智计划、法国洛林地区(Grand Est Region)/湖北省研究计划的大力支持。

武汉理工大学材料科学与工程学院罗雯是该论文的第一作者。

Wen Luo, Jean-Jacques Gaumet*, Pierre Magri, Sébastien Diliberto,Feng Li, Pascal Franchetti, Jaafar Ghanbaja, Liqiang Mai*. Fast, Green Microwave-Assisted Synthesis of Single Crystalline Sb2Se3 Nanowires towards Promising Lithium Storage. Journal of Energy Chemistry, 2018, DOI:10.1016/j.jechem.2018.03.013.

麦立强教授团队简介

麦立强教授课题组主要开展新型纳米储能材料与器件领域的前沿探索性研究,包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物纳电子界面等前沿方向。率先将纳米器件应用于电化学储能研究,重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电输运与储能等系统性的基础研究,取得了一系列国际认可的创新性成果。课题组近年来主持/承担了国家重点基础研究发展计划、国家国际科技合作专项、国家杰出青年基金、教育部“长江学者特聘教授”、创新团队发展计划、国家青年千人计划、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才计划等20余项。目前,实验室在Nature,Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials,Energy & Environmental Science, Nano Letters等国际著名期刊发表学术论文270余篇,包括Nature及其子刊10篇,影响因子大于10的60余篇,41篇论文入选ESI 近十年高被引论文,7篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文;取得授权国家发明专利70余项。获中国青年科技奖、光华工程科技奖(青年奖)、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖(青年奖)、Nanoscience Research Leader奖、入选“百千万人才工程计划”、国家“万人计划”领军人才,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号;指导学生获得“中国青少年科技创新奖”(3届),全国大学生“挑战杯”特等奖(1届)、一等奖(2届)、二等奖(4届),中国大学生自强之星标兵(1届)和2014年大学生“小平科技创新团队”等湖北省自然科学一等奖一项。

 Journal of Energy Chemistry期刊简介(ISSN:2095-4956,最新影响因子:2.594)

“能源化学杂志”是能源化学领域的国际学术期刊,是以英文出版的双月刊杂志。该杂志以前名为“Journal of Natural Gas Chemistry(天然气化学杂志)”,成立于1992年。从2013年开始正式更名为“能源化学杂志”。由中国科学院大连化学物理研究所包信和院士和意大利梅西纳大学Gabriele Centi教授担任主编。期刊编辑部设于中国科学院大连化学物理研究所。

 “能源化学杂志”主要报道化石能源的化学转化、电化学能源和氢能的研究和创新应用,以及与化学问题相关的生物质和太阳能的转化,以促进能源化学领域的学术交流,加快能源科学技术的研究发展。主要涉及的能源化学领域包括:

(1)化石能源的优化利用

(2)氢能

(3)电化学能源的转换和存储

(4)二氧化碳的捕获、还原和化学转换

(5)与能量转换和存储相关的材料和纳米技术

(6)生物质转化中的化学

(7)太阳能利用中的化学

期刊官方网站:https://www.journals.elsevier.com/journal-of-energy-chemistry

 

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