余颖Sci. Bull.：通过多维结构纳米复合材料的设计实现其在能源存储和电催化领域的应用

【引言】

由于具备容量较高、价格低廉、安全无毒等优点，因此金属氧化物作为锂离子电池负极材料已经被研究了数十年。然而，近年来，其研究热度有所下降，究其原因，主要由于金属氧化物材料的循环稳定性问题难以解决（例如Fe₂O₃、MnO₂、SnO₂等）。金属氧化物在充放电过程中，晶格发生巨大变化，导致其结构坍塌，循环性能剧烈下降，其循环次数往往不超过200次。近年来，以新加坡南洋理工大学楼雄文教授为主的关于双金属氧化物的研究表明（Angew. Chem. Int. Ed. 53 (2014) 1488-1504.、Adv. Mater. 25 (2013) 976-979.、Nano Lett. 12 (2012) 3005-3011.）双金属氧化物如NiCo₂O₄, ZnCo₂O₄, CuCo₂O₄等由于具有复杂的化学组成和双金属的协同效应使其具有比单独的金属氧化物更好的离子电导性。遗憾的是，双金属氧化物也没能解决金属氧化物致命性的循环稳定性差的缺点。

近年来，分解水是能源转化研究领域的热点之一。分解水可以分为产氧（OER）和产氢（HER）两个半反应。其中，OER由于反应过程复杂，电子转移数目多而具有比HER更高的过电势，因此研究OER是研究分解水的重点。IrO₂和RuO₂等已很早被报道具有很好的OER催化效果，但是其价格较为昂贵。因此，开发一些价格低廉的材料如镍、铁、钴、钼等单金属或双金属氧化物，水滑石结构等具有重要意义（Wang etc. Adv Mater 2017; 29.、Wang etc. Angew Chem Int Ed 2017; 56: 5867-5871.、Yu etc. Energy Environ Sci 2017; 10: 1820-1827.）。

【成果简介】

近日，由华中师范大学余颖教授课题组发表在Science Bulletin 上的文章“Design of multidimensional nanocomposite material to realize the application both in energy storage and electrocatalysis”指出，多维度协同的纳米结构可以实现复合材料在储能和电催化领域的同时应用（图1）。课题组提出了一种多维结构复合材料的思想，即“2+1+0”，该工作以钴酸镍作为活性材料为例，2是指二维的二氧化钛纳米片结构，起到提供稳定基底支撑的作用；1指的是钴酸镍纳米棒在储能和催化中均为活性材料；0指的是铜纳米点，在两个领域中都能使得复合材料的活化能降低，离子导电性增加并起到提高稳定性的作用。此外，该文章还提出了铜纳米点吸附过程的动力学模型，指出铜纳米点在钴酸镍上的吸附非常符合Elovich动力学方程。在电化学循环测试中，该工作发现电池容量在前几百次有大幅度的增加，并最终用电化学动力学的方法研究并解释了电池容量上升的原因。得益于多维结构材料的优势，该复合材料其中一个样品TNC-10在经过500次循环后，容量保持为117%（大于初始容量），1000次循环后容量仍保持91%。为检验其商业化可能性，研究者将该材料和钴酸锂组合成全电池，一枚电池就可以同时点亮34个二极管。作为OER电催化材料，其表现也很突出：起始过电位仅为0.15 V，电流达到10 mA/cm²的过电位为0.28 V。一节商用1.5V的南孚电池驱动就可以在催化材料表面明显产生气泡。

最后，该课题组还首次将原位拉曼的mapping功能用于OER过程中材料的化学性质变化研究（图2）。余颖教授指出，原位拉曼的mapping “三维强度模式”可以充分体现本研究中材料在大范围内OER反应前后的化学变化，因为其相比传统单个的点测试更具代表性，使得材料在大范围的化学变化反映得更准确。

【图文导读】

图1 多维材料的设计实现储能和电催化OER的同时应用

图2 原位拉曼装置及其mapping测试，其中d和e图显示了OER前后铜峰强度（b图中橙色波数范围）在20μm×20μm范围内的变化。

【小结】

在储能领域中，人们需要考虑三个重要的问题：活性材料的支撑基底，活性材料以及活性材料导电性和稳定性的提高。而在催化领域，同样需要关心这三个问题：催化材料的支撑，催化材料以及催化材料活性的提高。结合这两个方面，该课题组提出了一种多维结构复合材料的思想，即“2+1+0”。本文同时对这种复合材料在能源存储和电催化领域的应用进行了研究。本文的工作也为制备新型的复合材料提供了新的指导，拥有很广的应用前景。

文献链接：Design of multidimensional nanocomposite material to realize the application both in energy storage and electrocatalysis. （Sci. Bull., 2018, DOI：10.1016/j.scib.2018.01.014）

本文由Science Bulletin编辑部供稿，材料牛编辑整理。

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