Adv. Funct. Mater. 上海大学研发介孔纳米棒三元金属硫/碳复合电极材料

引语
锂离子电池正逐步应用在大型电动设备上，开发高容量、长寿命和倍率性能优异的电池材料是锂电池研究最为重要的关键。上海大学环境与化学工程学院王勇教授课题组组最近在该领域取得下列研究成果：以双金属有机骨架为前驱体设计得到了一种多孔碳纳米管复合材料，用于锂离子电池的负极，表现出很高的容量和优异的循环及倍率性能。

成果简介
该研究团队通过设计出在多孔十二面体中生长具有N-S共掺杂碳层的碳纳米管复合材料。该材料是以双金属有机骨架（BMOF）为前躯体，经过化学气相沉积和硫化过程两步反应得到。

因该复合材料中两种金属硫化物的协同作用、十二面体的多孔结构、N-S共掺杂碳层的形成和根深蒂固的碳纳米管网状结构，使得该材料作为锂离子电池负极展现出良好的电化学性能。循环性能优异：在100 mA g−1电流密度下，循环250圈后，仍保持容量941 mAh g−1 比容量（超过其理论比容量）。在1，2，5 Ag-1 电流密度下循环500圈后仍分别具有734、591、505 mAh g−1比容量，说明其具有较好的倍率性能。

图文简介

方案设计：示意图说明由双金属有机骨架(Co/Zn-ZIF- 67)在经化学气相沉淀过程得到中间体Co/Co3Zn@N-C-CNT，进而经硫化过程合成最终产物Co-Zn-S@N-S-C-CNT复合材料。同时由于Co元素的催化作用,小的碳纳米管形成并深深扎根在十二面体产物中。

图1 本材料的特点为双金属有机骨架（Co/Zn-ZIF-67)，所以采取单原子金属骨架（Co-ZIF-67）为基准，研究其性能。
a)Co/Zn-ZIF-67和Co-ZIF-67的X射线衍射谱图;
b)Co/Co3ZnC@N-C-CNT 和Co@N-C-CNT的X射线衍射谱图;
c)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和CoS2@N-S-C-CNT的X射线衍射谱图;
d)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和 CoS2@N-S-C-CNT拉曼光谱图.

图2 中间产物Co/Co3ZnC@N-C-CNT的形貌表征。
a,b) SEM图, c) EDS 谱图, d–f) TEM图。

图3 终产物Co-Zn-S@N-S-C-CNT的形貌表征a,b) SEM 图,c–f) TEM 图, g,h) HRTEM 图，可清晰看到多面体中生长的碳纳米管, i) 选区电子衍射图,展现良好的多晶结构, j)元素分析图。

图4 对比样中间产物Co@N-C-CNT的形貌表征：a,b) SEM 图；c,d) TEM图；
对比样终产物CoS2@N-S-C-CNT的形貌表征：e,f) SEM图，g,h) TEM图, i) HRTEM图, j)元素分析图。

图5 电化学性能测试
a)Co-Zn-S@N-S-C-CNT的CV图，插图放大区域对应的是该电位下Li-Zn合金的脱合金化过程；
b) Co-Zn-S@N-S-C-CNT在0.1, 1, 2,和5 C (1 C = 1000 mA g−1) 下的首圈充放电曲线;
c) Co-Zn-S@N-S-C-CNT 和CoS2@N-S-C-CNT在电流密度为100 mA g−1 (0.1 C)下的循环性能对比；
d) Co-Zn-S@N-S-C-CNT的倍率性能。

这样一个精心设计的具有特殊结构的三元金属硫/碳复合材料有望成为未来储能家族中的新候选。

文献链接：Carbon Nanotubes Rooted in Porous Ternary Metal Sulfide@N/S-Doped Carbon Dodecahedron: Bimetal-Organic-Frameworks Derivation and Electrochemical Application for High-Capacity and Long-Life Lithium-Ion Batteries.（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI：10.1002/adfm.201601631）

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