洛阳理工Chem Eng J：原子级Co/Ni双活性位点助力MOF衍生富氮掺杂碳空心纳米笼储锂性能的提升

【背景介绍】

目前，碳基负极材料仍然是锂离子电池中应用最广泛的材料，特别是在实际应用中。商业化的锂离子电池一般采用石墨作为负极材料，但局限于其较低的理论比容量（372 mAh/g）、循环稳定性和倍率性能。因此，开发具有高比容量、优良速率和循环性能的新型碳基负极材料仍然是储能的一个热点问题。由于碳基负极材料储锂是通过赝电容和在其法拉第过程中进行插入机制来实现的，所以通过调整负极材料的结构、反应环境和电导率是提高其锂储存性能的主要方法。这主要归因于材料的这些特性决定了它们对锂的亲和力、质量和电荷转移速率以及电解质润湿性。一些有效途径已经被用于提高负极材料性能，如预理化用于改善锂的亲和力，杂原子掺杂提高导电性。在结构方面，空心和多孔结构被巧妙设计去缓解体积膨胀和有效缩短锂离子的扩散距离。此外，由于单原子独特的量子效应、高的催化活性和最优的原子利用率也已经应用于电池系统，如锂金属电池、锂硫电池、钠离子电池和锌空气电池等等，但应用于锂离子电池负极材料的研究却很少。

【成果简介】

基于此，近日洛阳理工学院的王芳副教授团队与河南科技大学雷建飞副教授团队合作报道了一篇基于原子级Co/Ni双活性位点助力MOF衍生富氮掺杂碳空心纳米笼对其储锂性能的提升的文章。该文章采用外延生长和高温热解策略制备了原子级Co/Ni双金属活性位点修饰的富氮掺杂碳的空心纳米笼复合材料，并将其作为锂离子电池负极，通过实验和理论计算揭示了材料的储锂性能和原子级Co/Ni双金属活性位点在储锂过程中的作用机制。归功于材料本身具有的原子级别的Co/Ni双活性位点，具有超强的Li亲和力和催化作用，同时拥有相互交联的结构优势，所制备的负极材料表现出优异的储锂能力，提高了电池的比容量和长期循环稳定性，并具有出色的倍率性能，理论计算进一步证实了原子级Co/Ni双活性位点的亲锂性质。研究成果以“Atomic Co/Ni Active Sites Assisted MOF-Derived Rich Nitrogen-Doped Carbon Hollow Nanocages for Enhanced Lithium Storage ”为题发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：10.652）上，其中洛阳理工学院王芳副教授为第一作者兼通讯作者，河南科技大学雷建飞副教授为共同通讯作者。

【图文导读】

图1  MOFs衍生的氮掺杂超级碳负极材料（N-C@Co/Ni HDNCs）制备示意图

图2 MOFs衍生的氮掺杂超级碳负极材料（N-C@Co/Ni HDNCs）结构表征：（a-c）SEM 图片（d-g）TEM和球差校正的HAADF-STEM（h）元素分布图

图3 MOFs衍生的氮掺杂超级碳负极材料（N-C@Co/Ni HDNCs）的电池性能结果

图4 MOFs衍生的氮掺杂超级碳负极材料（N-C@Co/Ni HDNCs）的理论计算结果

【小结】

本文以含有CoNi的双金属MOFs作为前体，通过高温热解获得含单原子活性位点的MOFs衍生氮掺杂碳空心纳米笼材料，通过调节单原子Co/Ni活性位点的亲锂性和协同催化作用实现高效储锂，并结合理论计算来研究该具有单原子活性位点的碳基负极材料的储锂性机制。所制备的N-C@Co/Ni HDNCs作为锂离子电池负极材料时表现出优异的倍率性能和循环稳定性。优异的储锂性能主要源自于原子级Co/Ni双金属活性中心高的催化作用，降低了反应活化能，加快反应动力学，同时，由原位生长的碳纳米管、金属合金纳米颗粒和丰富氮掺杂空心多孔碳基质构建的发达的三维导电网络不仅增强了材料的导电性，为离子和电子的快速传输提供了通道，而且内部空心结构也减轻了体积膨胀。理论计算结果表明相对于只有钴单原子位点，具有适中电负性镍的引入可以获得更均匀的电场分布，避免在大电流放电过程中局部电场过大的发生。原子级Co/Ni双金属活性位具有适中的锂吸附能，有利于充放电过程中锂的吸附和脱出。

【文章链接】

Atomic Co/Ni Active Sites Assisted MOF-Derived Rich Nitrogen-Doped Carbon Hollow Nanocages for Enhanced Lithium Storage

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127583

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