Adv. Mater. : 由石墨烯包覆的互联TiO2纳米颗粒组成的分级多孔纳米片用于超快储钠

【引言】

自2011年钛基氧化物材料首次作为钠离子电池负极(SIBs)材料以来，研究人员一直致力于提出不同的策略以制备多种形态的TiO₂结构。然而TiO₂负极基负极的容量、比容量以及循环稳定性亟待提高，特别是在较高的倍率下，需要进一步提升以迎合高能源消耗电动汽车的需求。此外，应充分考虑插层负极材料的电化学性能和结构稳定性之间的平衡。因此，探索一种有效的策略来设计电池材料的结构、形态、组成以提升其性能，同时保持电极的结构完整性，其前景可观但充满挑战。

【成果简介】

近日，山东大学熊胜林教授、中国科学技术大学林岳博士(共同通讯作者)等报道了使用C₃N₄纳米片同时作为牺牲模板和混合碳源制备由互联均一的TiO₂纳米颗粒/氮掺杂石墨烯层状网络(TiO₂@NFG HPHNSs)组成的分级多孔复合纳米片，并在Adv. Mater.上发表了题为“Hierarchical Porous Nanosheets Constructed by Graphene-Coated, Interconnected TiO₂ Nanoparticles for Ultrafast Sodium Storage”的研究论文。上述HPHNSs在5 C下8000次循环后具有高达146 mAh·g^-1的可逆比容量，10 C下20000次循环后比容量为129 mAh·g^-1，20 C下10000次循环后比容量为116 mAh·g^-1以及60 C超高倍率下倍率容量101 mAh·g^-1。该材料是有文献报道以来循环性能最长、倍率容量最高的TiO₂基SIBs负极材料。TiO₂@NFG HPHNSs前所未有的储钠性能应归因于其独特的组成和分级多孔2D结构。

【图文简介】

图1 TiO₂@NFG HPHNSs制备过程

TiO₂@NFG HPHNSs制备过程示意图。

图2 TiO₂@NFG HPHNSs的形貌和结构表征

a-c) TiO₂@NFG的FESEM图像；

d,e) TiO₂@NFG的TEM图像，e图内插为相应的SAED图案；

f) TiO₂@NFG的HRTEM图像；

g-i) TiO₂@NFG的HAADF-STEM图像；

j-o) TiO₂@NFG的HAADF图像及相应的元素分布。

图3 TiO₂@NFG电极的电化学性能

a) CV曲线(扫速0.1 mV·s^-1)；

b) 0.5 C下选定循环的充放电曲线；

c,d) 0.5 C/2 C下的循环性能；

e) 倍率循环性能；

f) TiO₂@NFG与其他最近报道的TiO₂基电极倍率容量比较。容量已归一化为相同倍率 (1 C = 335 mA·g^-1)。

图4 TiO₂@NFG储钠性能的机理分析和第一性原理计算

a) GITT电压曲线；

b) 反应电阻；

c) 0.1-100 mV·s^-1扫速下的CV曲线；

d) 峰电流和扫速之间关系的b值分析；

e) 归一化容量随扫速的变化；

f) 不同扫速下，电容/扩散控制电荷的贡献比；

g,h) m-TiO₂和TiO₂@NFG的DOSs计算；

i) NFG到TiO₂界面的钠离子扩散路径以及相应的能量曲线。内插为氮掺杂缺陷的结构和钠离子扩散示意图。

【小结】

研究人员使用C₃N₄纳米片同时作为牺牲模板和混合碳源，首次制备了TiO₂@NFG HPHNSs。在所得HPHNSs结构中，互联均一的TiO₂纳米颗粒封装于寡层石墨烯网络，进而组装成分级多孔2D复合纳米片结构。石墨烯涂层提升了复合结构的导电性和稳定性，限制了TiO₂粒子尺寸，有利于储钠性能提升。TiO₂@NFG HPHNSs具有较高的可逆容量、超长的循环稳定性以及杰出的倍率性能。鉴于该独特2D复合纳米结构简单的制备方法，TiO₂@NFG作为高功率、高能量SIBs负极材料的前景良好。

文献链接： Hierarchical Porous Nanosheets Constructed by Graphene-Coated, Interconnected TiO₂ Nanoparticles for Ultrafast Sodium Storage (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705788)

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