武汉理工大学麦立强&周亮Adv. Funct. Mater. : 超细Ni纳米粒子/SiO2分级空心球用于高性能储锂

【引言】

SiO₂是地球上储量最丰富的材料之一，具有高达1965 mAh·g^-1的理论比容量。然而，SiO₂也具有容量变化大和本征电子导电率低等缺点，使得其电化学性能尚差强人意。为提升SiO₂的电化学性能，研究人员已提出一些策略，其中设计SiO₂空心结构以顺应体积变化调节是有效方法之一。另一个策略是将SiO₂和碳质材料进行复合以提高电子导电率。除了碳质材料，金属也可以用来提高活性材料的电子导电率。然而，基于SiO₂/金属的负极材料少见报道。

【成果简介】

近日，武汉理工大学麦立强教授、周亮教授(共同通讯作者)等设计了一种由超细Ni纳米粒子(≈3 nm)修饰SiO2纳米片构筑的分级中空结构Ni/SiO₂纳米复合材料，并在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Ultrafine Nickel-Nanoparticle-Enabled SiO2 Hierarchical Hollow Spheres for High-Performance Lithium Storage”的研究论文。Ni纳米粒子不仅有效提高了SiO₂电子导电率，也提升了其电化学活性。与此同时，空腔提供足够的自由空间来缓解SiO₂在反复锂化/脱锂过程的体积变化；纳米片结构减少锂离子的扩散长度。由于Ni和SiO₂之间的协同效应，0.1 A·g^-1下Ni/SiO2复合材料具有高达676 mAh·g^-1的可逆容量。在10 A·g^-1的高电流密度下，1000圈后仍可保留337 mAh·g^-1的容量。

【图文简介】

图1 Ni/SiO₂分级空心球的制备

a) Ni/SiO₂分级空心球制备过程示意图。步骤I：Stöber法制备的SiO2球水热处理得到硅酸镍 步骤II：在H₂/Ar (5%/95%)气氛中煅烧硅酸镍；

b) Ni/SiO₂分级空心球细节示意图。

图2 Ni/SiO₂-550分级空心球的形貌表征和元素分布

a,b) Ni/SiO₂-550分级空心球的SEM图像；

c,d) Ni/SiO₂-550分级空心球的TEM图像；

e) Ni/SiO₂-550分级空心球的SAED图谱；

f) Ni/SiO₂-550分级空心球的HRTEM图像；

g) Ni/SiO₂-550分级空心球的元素分布。

图3 不同煅烧温度Ni/SiO₂分级空心球的形貌表征

a-d) Ni/SiO₂-600分级空心球的SEM、TEM和HRTEM图像；

e-h) Ni/SiO₂-650分级空心球的SEM、TEM和HRTEM图像；

i-l) Ni/SiO₂-700分级空心球的SEM、TEM和HRTEM图像。

图4 Ni/SiO₂分级空心球的表面元素价态和晶体性质

a) 不同制备温度下Ni/SiO₂分级空心球的XRD谱图；

b) Ni/SiO₂-550分级空心球的Ni 2p XPS谱图；

c) Ni/SiO₂-550分级空心球的Si 2p XPS谱图；

d) Ni/SiO₂-550分级空心球的N2吸附-脱附等温线。

图5 Ni/SiO₂分级空心球和原始SiO₂的电化学性能

a) 0.1 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分级空心球的典型充放电曲线；

b) 0.1 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分级空心球和原始SiO₂的循环性能；

c) 0.5 A·g^-1下，不同制备温度Ni/SiO₂分级空心球的循环性能；

d) 10 A·g^-1下，Ni/SiO₂-550分级空心球的循环性能；

e) 不同制备温度Ni/SiO₂分级空心球的倍率容量。

图6 不同状态下Ni/SiO₂-550分级空心球的表面元素价态

a) 不同状态下 Ni/SiO₂-550分级空心球的Ni 2p XPS谱图；

b) 不同状态下Ni/SiO₂-550分级空心球的Si 2p XPS谱图。

【小结】

该研究通过简单的原位还原法成功合成了超细Ni纳米颗粒修饰SiO₂分级空心球。超细Ni纳米颗粒(≈3 nm)使得SiO₂分级空心结构具有优秀的储锂性能。Ni/SiO₂-550复合材料具有高达676 mAh·g^-1的比容量。在10 A·g^-1的高电流密度下，1000圈后仍可保留337 mAh·g^-1的容量。该研究证实制备金属/SiO₂纳米复合材料是一种有望提高SiO₂储锂性能的方法。该工作受到科技部重点研发计划(2013CB934103)，国家杰出青年基金(51425204)等项目的支持。

【通讯作者课题组简介及相关工作汇总】

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 Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Letters,等国际著名期刊发表学术论文250余篇，其中影响因子大于10的60余篇，29篇论文入选ESI 近十年高被引论文，4篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文；取得授权国家发明专利50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。

麦立强教授课题组链接:http://mai.group.whut.edu.cn

麦立强教授课题组近五年围绕一维纳米材料进行可控的结构设计与优化，构筑了一系列具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命的储能材料及器件（Nano Letters, 2016, 16, 2644–2650；Nature Communications, 2015, 6, 7402；Nano Letters, 2014, 14: 1042–1048），撰写了相关综述（Chemical Reviews, 2014, 114: 11828–11862；Advanced Materials, 2017, 1602300; Joule, 2017, 1, 522-547）；在国际上率先设计和组装了单根纳米线电化学器件，揭示了其容量衰减的本质（Nano Letters, 2016, 16, 1523–1529；Nano Letters, 2015, 15, 3879−3884）；提出了原位监测电极材料的新型表征手段和技术，实时监测了电化学反应过程，深入解释了电池的工作机制（Nano Letters, 2015, 15, 3879−3884；Advanced Functional Materials, 2016, 1602134），并在Nature杂志上撰写发表了评述（Nature, 2017, 546, 469）。不仅如此，还深入研究了多种能源存储及转化体系：锂离子电池（Advanced Materials, 2013, 25, 2969–2973），钠离子电池（Nature Communications, 2017, 8, 460; Advanced Energy Materials, 2017, 1700247），锌离子电池（Advanced Energy Materials, 2017, 1601920），钾离子电池（Nano Letters, 2017, 17(1): 544-550），超级电容器（Nature Communications, 2013, 4: 2923; Nature Communications, 2017, 8:14264），电催化（Advanced Materials, 2016, 1604464; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 : 8212–8221），撰写了锂硫电池相关综述（Advanced Materials, 2017, 1601759）等；利用多种表征技术对各个体系中纳米储能材料的工作机制进行了深入的研究，提出了复杂纳米结构设计、离子预嵌入等多种优化手段，进而大幅度提升性能（Nature Communications, 2014, 5: 4565；J. Am. Chem. Soc. 2013, 135: 18176–18182; Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1267-1275；Nano Letters, 2015, 15: 2180–2185）。

文献链接： Ultrafine Nickel-Nanoparticle-Enabled SiO2 Hierarchical Hollow Spheres for High-Performance Lithium Storage (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704561)

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