熊勝林教授在能源材料交叉學(xué)科領(lǐng)域獲重大進(jìn)展
? ??
?
近日，我院熊勝林教授在我校交叉學(xué)科等基金的支持下，組織化學(xué)、材料、能源等有關(guān)學(xué)科力量，在碳基功能材料的精準(zhǔn)制備與儲能研究中獲系列重要進(jìn)展，2017年連續(xù)在材料領(lǐng)域的頂級期刊《先進(jìn)材料》(Adv. Mater., IF=19.79) 3篇、《先進(jìn)能源材料》(Adv. Energy. Mater., IF=16.721)2篇、《先進(jìn)功能材料》(Adv. Funct. Mater., IF=12.124) 1篇，共發(fā)表6篇高水平研究論文。
針對當(dāng)前鋰離子電池應(yīng)用存在鋰儲量不足、成本升高等問題，熊勝林教授團(tuán)隊積極進(jìn)行了高性能低成本的新型電池如鈉/鉀離子電池研究工作，并取得了階段性重要進(jìn)展。最近，該課題組利用回流法將無定型TiO2包覆在g-C3N4片模板上，g-C3N4在真空高溫下分解成氮摻雜的碳包覆在TiO2顆粒的表面形成少層石墨烯包覆的TiO2片狀結(jié)構(gòu)。石墨烯包覆層不僅提高了TiO2的導(dǎo)電性，而且限域其形成10 nm左右顆粒。因其獨特的二維復(fù)合結(jié)構(gòu)，作為鈉離子電池負(fù)極材料顯示了優(yōu)異的長循環(huán)和高倍率性能。動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯包覆的TiO2二維材料在充放電過程中表現(xiàn)出極高的電容行為，有利于快速充放電，提高了其倍率特性；理論模擬證實氮摻雜的石墨烯包覆層顯著降低了鈉離子嵌入的能壘，因而提高了其電化學(xué)性能。該材料制備簡單、精準(zhǔn)可控、方法普適，為探索具有實際應(yīng)用的鈉離子電池負(fù)極材料提供了一種新的可行方案。研究成果發(fā)表在 (Adv. Mater.,?2017, 29,DOI:10.1002/adma.201705788)。
?
?
?
?
圖1. TiO2@graphene核殼納米片的結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)合成、表征與倍率性能
針對如何同時提高鉀離子負(fù)極材料的比容量和倍率性能這個難題，熊勝林教授課題組采用一種鋁基金屬有機(jī)骨架材料作為前驅(qū)體，通過簡單的碳化和酸洗法制備出具有高比表面積 (1030 m2/g)、氮氧雙摻雜的分級多孔硬碳材料。電化學(xué)測試表明其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)化硬碳在鉀離子電池中的應(yīng)用。機(jī)理研究表明該電極材料在儲能過程中體現(xiàn)出混合控制機(jī)制，其中表面電容控制占主要貢獻(xiàn)。表征結(jié)果證明其儲鉀機(jī)理：在放電過程中鉀離子首先穿過孔道嵌入到石墨層間，隨著電壓的降低，鉀離子在低電壓區(qū)實現(xiàn)了孔隙的填充和金屬團(tuán)簇的形成。通過進(jìn)一步采用預(yù)鉀化處理技術(shù)，電極材料的首圈庫倫效率提高到90.5%，為鉀離子負(fù)極材料甚至是安全性高的鉀金屬負(fù)極設(shè)計提供了一條新途徑。研究成果發(fā)表在 (Adv. Mater.,?2017, 29, DOI:10.1002/adma.201700104)。
?
?
???????? 圖2. 氮氧共摻雜分級多孔硬碳材料的精準(zhǔn)制備圖示
?
針對如何獲取新型功能化碳基復(fù)合材料，熊勝林教授課題組首次采用新型的高核金屬團(tuán)簇代替常用的MOFs材料，制備了一系列金屬氧化物/碳復(fù)合材料。如以合成的高核錳簇為結(jié)構(gòu)模板，精準(zhǔn)制備了MnO@Mn3O4核殼納米顆粒嵌于氮摻雜的多孔碳框架的三維復(fù)合材料。因MnO@Mn3O4核殼顆粒均勻分布在碳骨架中，既提高了氧化物的導(dǎo)電性，也有利于緩解在充放電過程中的體積效應(yīng)和應(yīng)力變化，作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲鋰性能。動力學(xué)分析表明界面的電容效應(yīng)有利于實現(xiàn)長循環(huán)壽命和鋰離子儲存；DFT計算的界面電荷密度分析顯示，多孔碳骨架和MnO@Mn3O4核殼顆粒的有效結(jié)合為鋰離子的嵌入/脫出提供了從電解液到NPCF-Mn3O4界面更可行的途徑，該研究思路為制備新型碳基復(fù)合材料指明了一個新的方向。研究成果發(fā)表在 (Adv. Mater.,?2017, 29, DOI:10.1002/adma.201704244)。
?
?
?
??????????? 圖3. MnO@Mn3O4/氮摻雜碳框架復(fù)合結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制備與表征
熊勝林教授自2011年9月進(jìn)校工作以來，主要從事化學(xué)、材料與能源領(lǐng)域交叉學(xué)科的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。在985學(xué)科建設(shè)經(jīng)費、山東大學(xué)交叉學(xué)科培育項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、省杰出青年基金和973子課題（參與）的資助下，以通信作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、EnergyEnviron. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等頂級刊物發(fā)表影響因子10.0以上SCI論文13篇，他引和評價2200余次，8篇入選ESI高引論文，為學(xué)校的人才培養(yǎng)和雙一流學(xué)科建設(shè)和發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。
本年度系列研究工作是在山東大學(xué)交叉學(xué)科等基金資助下，熊勝林教授組與化學(xué)院孫頔老師、材料學(xué)院馮金奎老師和中國科技大學(xué)林岳博士共同合作完成。
?
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com