Advanced Materials：北航学者研发新型钠离子负极材料，高倍率下循环1000次无明显衰减

【引语】近年来，鉴于锂离子电池（LIBs）在大型储能设备的运用上表现出成本高且资源供应紧等问题，钠离子电池携其低成本、储量丰富以及环保的优点之下大有取代锂离子电池之意。近日，北京航空航天大学材料科学与工程学院材料物理与化学系的毕晓昉教授和杨树斌教授在Advanced Materials上发文，题为“Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage”。

此次研究的最大亮点在于：该研究小组通过简单的纳米铸造方法在石墨烯层中拓展合成具有正交结构的单晶纳米介孔Nb₂O₅（G- Nb₂O₅）。在充放电过程中，这一特殊结构不仅给予了Na⁺更多开放且短的扩散路径，还有利于电子传导，自然该材料也表现出了优异的高倍率性能及循环容量。

成果简介：

由于钠离子电池（SIBs）中Na+的半径大于Li+，这导致SIBs在Na+的脱嵌过程中产生巨大容量衰减和不可逆相变。为了解决这个问题，寻找到能够提供更多有效扩散路径的材料就变得尤为重要。该研究小组通过简单的纳米铸造方法在石墨烯层中拓展合成具有正交结构的单晶纳米介孔Nb₂O₅（G- Nb₂O₅）。该材料在0.25C倍率下表现出230 mAh g−1的高循环容量，以及在20C倍率下也表现出100 mAh g−1的优异的高倍率性能（循环1000次不发生明显衰减）。可以说，这是一种极有前景的SIBs负极材料。

图文导读：

图1：合成G- Nb2O5材料的三大步骤

（1）将NbCl5浸渍到G-silica模板的介孔中。

（2）水蒸气处理所制备的样品，目的为了是NbCl5水解。

（3）Nb2O5在600℃的氮气气氛下结晶，同时用2M的NaOH水溶液去除二氧化硅。

图2：G- Nb2O5材料的形貌表征

（a，b）不同放大倍率下，具有代表性的G-Nb2O5 纳米片扫描电镜（SEM）图像。

（c，d）分别为G-Nb2O5纳米片截面（sectional view）的透射电镜（TEM）和高分辨率的透射电镜（HRTEM）图像。

（e）G-Nb2O5纳米片顶视图（top view）的高分辨率的透射电镜（HRTEM）图像。

（f）G-Nb2O5纳米片的选区电子衍射图样，揭示了G-Nb2O5的部分单晶特征。

（g-j）分别为G-Nb2O5以及相应元素铌（h）、氧（i）、碳（j）的扫描透射电子显微镜的明场像。

说明：明暗场成像原理——晶体薄膜样品明暗场像的衬度(即不同区域的亮暗差别)，是由于样品相应的不同部位结构或取向的差别导致衍射强度的差异而形成的，因此称其为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。如果只允许透射束通过物镜光栏成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束通过物镜光栏成像，则称为暗场像。

图3：氮吸附/解吸等温线及XRD图像

（a）氮吸附/解吸等温线（插图：孔径分布）证实G-Nb2O5 和Nb2O5纳米片的介孔结构，BET吸附比表面积分别为158 m2 g−1 和 70 m2 g−1。

（b）G-Nb2O5 和Nb2O5纳米片的XRD图像。

（c，d）分别为G-Nb2O5 和Nb2O5纳米片中Nb3d以及O1s的X射线光电子能谱图。

图4：G-Nb2O5纳米片的电化学性能表征

（a）0.25C倍率下，G-Nb2O5纳米片前两次充放电的电压-容量示意图。

（b）0.25C倍率下，G-Nb2O5纳米片、Nb2O5纳米片、Nb2O5商业粉末、混合G/Nb2O5纳米片的循环性能。

（c）G-Nb2O5分别在0.25、0.5、1、4、10、20 C倍率下的充放电曲线。

（d）G-Nb2O5纳米片、Nb2O5纳米片、Nb2O5商业粉末、混合G/Nb2O5纳米片0.25C、0.5C、1C、4C、10C、20 C下的倍率性能。

（e，f）分别为G-Nb2O5纳米片在1C和20C倍率下的长周期循环行为。

图5：电化学工作站测试结果

（a）G-Nb2O5 和 Nb2O5纳米片的交流阻抗图。

（b）由Z′与ω−1/2的线性拟合线而得的Warburg阻抗拟合系数(σw)。

（c）扫描速率分别从0.1 到100 mV s−1的循环伏安曲线。

（e）表示负极峰值（红圈）与b值（黑线）关系的log(i)与log(v)函数关系图（其中b值由i = av的b次方的关系确定），当b值为0.97和0.48时，扫描速率分别为10 mV s−1以及大于10 mV s−1。

更正声明：在材料人微信（icailaioren）以及材料牛原网页最先发布的文章中，错将徐惠彬校长列为作者，给三位老师和相关工作人员带来困扰，材料人网深表歉意。

具体原因是由于编辑为了翻译准确，百度两位老师名字时，由于徐校长百度曝光率极高，小编被百度强行“安利”，思维短暂混乱，结果写错一个。。。

现将文章的两位通讯作者简要介绍如下：

毕晓昉：博士，北京航空航天大学教授。1983年毕业于北京科技大学，1990年获日本东京工业大学博士学位。主要从事纳米薄膜生长机理与物性、以及软磁合金与磁性能等研究，曾获教育部“新世纪优秀人才培养计划”资助。在相关研究领域发表SCI收录论文60余篇，获国家发明专利10余项。

研究方向：氧化物纳米薄膜生长机理、电输运特性、磁电耦合作用以及光学特性；Fe-6.5%Si取向合金制备及微观结构与磁性能。

杨树斌：教授，中组部“青年千人计划”入选者，北航“卓越百人”计划入选者。2008年毕业于北京化工大学材料科学与工程学院，获工学博士学位；2008.7-2014.2年先后在德国马普聚合物研究所和美国莱斯大学从事博士后研究工作。近5年，以第一作者或通讯作者的科研成果发表在诸多国际权威期刊上，如Acc. Chem. Res.（1篇）, Angew. Chem. Int. Ed. （3篇）, Adv. Mater.（6篇）, Nano Lett.（2篇）, Sci. Rep.（1篇）, Adv. Funct. Mater.（2篇）和Small（1篇）等共28余篇。外加共同作者的论文Nature Commun. （2篇）, Adv. Mater.（4篇）和J. Am. Chem. Soc. 等近50篇。这些论文短期内被材料化学领域同行大量引用（4000余次），H因子29。应邀承担多个国际知名杂志如Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Carbon, Electrochem. Commun., Chemistry等的审稿人。

研究方向：新能源(锂离子电池，锂-空电池，锂-硫电池)电极材料；燃料电池非贵金属催化剂；新型炭材料；低维度纳米材料的制备、性质及应用

两位教授信息来源于北航材料学院官网。

文献链接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheetsin between Graphene for Ultrafast Sodium Storage

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