煤基功能碳材料研究取得新進(jìn)展
隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，非化石能源在新能源體系中的比例逐漸提高。2020年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，闡述了中國(guó)控制二氧化碳溫室氣體的戰(zhàn)略，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，屆時(shí)非化石能源在我國(guó)能源中的比例預(yù)期達(dá)到84%。要實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，開(kāi)發(fā)新能源技術(shù)愈發(fā)迫切。以鈉/鉀離子電池為代表的高性能低成本新型二次電池，是新能源技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵和重點(diǎn)領(lǐng)域之一，其核心是新結(jié)構(gòu)高性能電極材料的設(shè)計(jì)及可控制備。我國(guó)煤炭資源豐富，如何以廉價(jià)的煤炭及其衍生物為前驅(qū)體，創(chuàng)制新結(jié)構(gòu)功能碳材料，對(duì)于開(kāi)發(fā)高性能電化學(xué)儲(chǔ)能器件、實(shí)現(xiàn)煤炭精細(xì)化高值利用有重要意義。
煤炭的精細(xì)化高值利用事關(guān)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的綠色化可持續(xù)發(fā)展，圍繞這一目標(biāo)，邱介山教授團(tuán)隊(duì)持之以恒地開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。他們以低階煤和煤系瀝青為原料，基于芳烴分子剪裁與修飾方法，結(jié)合控制碳化技術(shù)，創(chuàng)制了一系列高性能鈉/鉀離子電池負(fù)極材料，成果陸續(xù)在能源化工、碳材料科學(xué)與技術(shù)等一流期刊上發(fā)表：Carbon?2018, 135, 187-194; Chem. Eng. J. 2018, 342, 52-60;?Carbon?2020, 162, 431-437; Chem. Eng. J. 2020, 382, 121759。在前期工作基礎(chǔ)上，最近，他們研究建立了一種瀝青基納米碳纖維負(fù)載氮氧化鉻納米粒子的合成技術(shù)，用做金屬鋰負(fù)極顯示出優(yōu)異的性能，相關(guān)工作以全文形式發(fā)表于Small, 2020, 2003827, DOI: 10.1002/smll.202003827.
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在這個(gè)新技術(shù)中，異質(zhì)晶種修飾的納米碳纖維膜材料可以降低成核能壘，進(jìn)而誘導(dǎo)金屬鋰的均勻沉積。納米晶種的物理穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)性是保證鋰金屬電池長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。該研究以煤瀝青為添加劑，調(diào)控納米碳纖維微晶的結(jié)構(gòu)和雜原子含量與分布，進(jìn)而誘導(dǎo)氮氧化鉻(CrO0.78N0.48?)納米粒子在碳纖維表面的原位均勻生長(zhǎng)；氮氧化鉻納米晶種具有低的帶隙和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，有優(yōu)異的親鋰性、高離子/電子電導(dǎo)率和豐富的電化學(xué)活性位。以該材料作為金屬鋰負(fù)極，呈現(xiàn)出典型的納米晶種誘導(dǎo)成核機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的無(wú)枝晶均勻沉積，在1 mA cm-1電流密度及小于15?mV的過(guò)電勢(shì)下，穩(wěn)定循環(huán)1000 h未見(jiàn)明顯極化。
文章第一作者為大連理工大學(xué)博士研究生肖劍，通訊作者為肖南副教授和邱介山教授，工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1508201）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（DUT20LAB131）的支持。
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