郭少军&陈人杰 Adv. Mater.: 多孔碳纳米管上完全覆盖的皱折Ir纳米片，用于长寿命可充电锂—二氧化碳电池

【引言】

能源短缺和环境污染是人类社会实现可持续发展面临的严峻挑战。当前社会的主要能源仍然是不可再生的化石燃料，伴随着大量的温室气体产生，导致全球气温加速上升。因此，如何以环保的方式捕获二氧化碳并将二氧化碳转化为可再生能源引起了广泛的关注。其中，作为创新能量储存的锂—二氧化碳电池是一种新型的绿色能源储存和转换系统，可以以环保的方式利用大气中的二氧化碳。然而，现有Li-CO₂电池的最大问题是它们具有高极化和差的循环性能，主要是由绝缘和不溶性放电产物Li₂CO₃引起的。因此，如何解决由Li₂CO₃引起的问题，是目前研究的热点和重点。

【成果简介】

近日，北京理工大学的陈人杰教授和北京大学的郭少军教授（共同通讯作者）等报道了一种完全锚定在N掺杂碳纳米纤维（Ir NSs-CNFs）表面上的起皱、超薄Ir纳米片，作为改善锂—二氧化碳电池性能的有效阴极。改善后的电池可以稳定地放电并充电至少400次循环，截止容量为1000 mAh g^-1—500 mA g^-1。同时，发现了目前最小电荷过电位现象，即阴极通过在100 mA g^-1下显示低于3.8 V的充电终止电压来有效地降低电荷过电位。在放电过程中，对中间产物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以极大地稳定无定形颗粒中间体（可能是Li₂C₂O₄）并延迟其进一步转变为薄板状Li₂CO₃；而在充电过程中，它可以使 Li₂CO₃易于完全分解，大大提高锂—二氧化碳电池的性能。研究成果以为“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO₂ Batteries”题发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、Ir NSs-CNFs的理化表征
（a-c）Ir NSs-CNFs的TEM图；

（d）Ir NSs-CNFs高分辨的TEM图；

（e）Ir NSs-CNFs高角度环形暗场扫描TEM图；

（f）Ir NSs-CNFs的元素映射；

（g）Ir NSs-CNFs的原理示意图；

（h）Ir NSs-CNFs的XRD图谱；

（i）Ir NSs-CNFs的XPS分析；

（j）Ir NSs-CNFs的Ir 4f XPS分析。

图二、Ir NSs-CNFs 和 CNFs作为阴极的Li-CO₂电池容量对比
（a-c）Ir NSs-CNFs和CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的第一次放电/充电特性，分别在100, 200和500 mA g^-1的不同电流密度下具有1000 mAh g^-1的有限容量；

（d）Ir NSs-CNFs和CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的循环性能，电流密度为200 mA g^-1，容量为1000 mAh g^-1；

（e）Ir NSs-CNFs和CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的循环性能，电流密度为500 mA g^-1，容量为1000 mAh g^-1。

图三、Ir NSs-CNFs 和 CNFs作为阴极的Li-CO₂电池容量和循环次数
（a） CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的深度放电/充电曲线，电流密度为0.05 mA cm^-2，电压范围为2.0 - 4.5 V；

（b） Ir NSs-CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的深度放电/充电曲线，电流密度为0.05 mA cm^-2，电压范围为2.0 - 4.5 V；

（c） CNFs和Ir NSs-CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的放电和充电容量与循环次数在0.05 mA cm^-2，电压范围为2.0-4.5 V；

（d） 在CO₂气氛下，具有CNFs和Ir NSs-CNFs阴极的Li-CO₂电池在0.2 mV s^-1下的CV曲线。

图四、在初始放电过程中，Ir NSs-CNFs 和 CNFs两种电极上形成的不同放电产物
（a） 在电压密度为0.05 mA cm^-2，电压范围为2.0-4.5 V时，CNFs和Ir NSs-CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的第一次深放电/充电曲线；

（b, c）第一次放电/充电曲线中不同阶段的CNFs（b）和Ir NSs-CNFs（c）阴极的XRD图谱；

（d-g） 在不同放电和充电过程之后观察到CNFs阴极的SEM图像：d）放电至0.5 mAh cm^-2（B'），e）放电至1.0 mAh cm^-2（C'），f）放电至2.0 V（D'），g）重新充电（E'）；

（h-k） 在不同的放电和充电过程之后观察到Ir NSs-CNFs阴极的SEM图像：h）放电至0.5 mAh cm^-2（B），i）放电至1.0 mAh cm^-2（C），j）放电至2.0 V（ D），k）再充电（E）。

图五、Ir NSs-CNFs和CNFs作为电极的放电产物的XPS分析
（a-d） CNFs阴极的XPS光谱：a）原始（A'），b）放电至1.0 mAh （C'），c）放电至2.0 V（D'），d）以放电容量再充电（E'）；

（e-h） Ir NSs-CNFs阴极的XPS光谱：e）原子（A），f）放电至1.0mAh cm^-2（C），g）放电至2.0 V（D），h）以放电容量再充电。

图六、Ir NSs-CNFs和CNFs作为阴极的Li-CO₂电池的产物Li₂CO₃的分解处理
（a, b）第一次深度放电过程中不同阶段的CNFs（a）和Ir NSs-CNFs（b）阴极的IR光谱；

（c）Ir NSs-CNFs和CNFs阴极放电产物的形成和分解示意图。

【小结】

成功地设计和制造了完全覆盖在N掺杂碳纳米纤维材料表面上的起皱、超薄Ir纳米片作为高性能Li-CO₂电池的阴极。由于稳定的结构和非常高的催化活性，Ir NSs-CNFs作为阴极可以实现Li-CO₂电池的超长且稳定的循环性能，其可以在电流密度为500 mA g^-1的情况下良好地循环400次以上的循环而没有容量衰减。通过非原位扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱表明Ir NSs-CNFs作为阴极的Li-CO₂电池可以在放电过程中极大地稳定非晶中间产物，这是提高Li-CO₂电池性能的关键。目前的工作开启了基于Ir的阴极结构的新设计，用于改善非质子Li-CO₂电池的性能。

文献链接：Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO₂ Batteries（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803124）                                                 

本文由高分&生物组、纳米组小胖纸编译，材料人编辑整理。

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