楼雄文Angew. Chem. Int. Ed.：分级的双层空心结构CuS@CoS2的可控合成及其储钠性能研究

【引言】

钠离子电池和锂离子电池相比，具有成本低廉、钠储量丰富等优点，得到研究者的广泛关注。开发高性能的负极材料对促进钠离子电池的实际应用尤为关键。金属硫化物由于高的电化学可逆性和比容量，是一类具有应用前景的负极材料。但它们大多数导电性较差、电化学反应过程中体积变化较大，从而表现出较差的倍率性能和循环性能。合理的纳米结构设计是提高钠离子电池的电化学性能的有效途径。低维纳米结构单元组成的分级的空心结构，作为电极材料表现出较优的储钠性能。其中，较大的比表面积能够促进电解液的充分浸润，低维纳米结构单元能显著减少电子和离子的传输距离。然而，具有复杂的结构和化学组成可控的金属硫化物及其储钠性能研究还很少被报道。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授（通讯作者）课题组在Angew. Chem. Int. Ed. 上报道了用多步模板法制备分级的双层空心结构的CuS@CoS₂（CuS@CoS₂ DSNBs）纳米颗粒，该颗粒由CoS₂纳米片负载在CuS内壳上。作为钠离子电池负极，该材料表现出较高的可逆比容量、优异的倍率性能、稳定的循环寿命。

【图文导读】

图1.CuS@CoS₂ DSNBs的合成过程示意图。

图2.a、e为 Cu₂O纳米立方块的FESEM和TEM图；b、f为核壳结构Cu₂O@Co(OH)₂纳米立方块的FESEM和TEM图；c、g为Cu₂O@CuS@Co(OH)₂纳米立方块的FESEM和TEM图；d、h为CuS@Co(OH)₂ 空心纳米颗粒的FESEM和TEM图。

图3.a-c为CuS@CoS₂ DSNBs的FESEM图；d、e为CuS@CoS₂ DSNBs的TEM图；f为CuS@CoS₂ DSNBs的HRTEM图。

图4.a、d为 CuS-CoS₂ DSNBs的FESEM和TEM图；b、e为 CoS₂ SSNBs的FESEM和TEM图；c、f为 CuS SSNBs的FESEM和TEM图。

图5.(a) CuS@CoS₂ DSNBs电极的循环伏安图； (b) CuS@CoS₂ DSNBs电极的充放电曲线； (c)  CuS@CoS₂ DSNBs、CuS-CoS₂ DSNBs、 CoS₂ SSNBs和CuS SSNBs电极的倍率性能；（d）CuS@CoS₂ DSNBs电极的在不同电流密度的充放电曲线； (e) CuS@CoS₂ DSNBs、CuS-CoS₂ DSNBs、CoS₂ SSNBs 和CuS SSNBs 电极在0.5 A g^-1电流密度下的循环性能。

【小结】

作者通过模板法合成了分级双层空心结构的CuS@CoS₂ DSNBs，并测试了其储钠性能。通过合理设计反应的过程，可以实现材料结构和组成的可控调控。其中，CuS@CoS₂ DSNBs材料表现出最优的储钠性能，该材料表现出较高的可逆比容量（625 mAh g^-1）、优异的倍率性能（在5 A g^-1的电流密度下具有304 mAh g^-1的可逆比容量）和稳定的循环性能（循环500周，容量保持率为79%）。这一研究结果提供了一种制备高性能复杂空心结构硫化物负极材料的新策略，为钠离子电池的发展和应用，以及复杂空心结构的合成提供了新的思路和方向。

【导师介绍】

楼雄文，1978年出生于浙江金华，先后于2002和2004年在新加坡国立大学获得一级荣誉学士学位和硕士学位，2008年在美国康奈尔大学获得化学与生物分子工程专业博士学位，并因其出色的工作被授予Austin Hooey奖金和刘氏纪念奖。现任新加坡南洋理工大学材化学与生物医学工程学院教授，主要研究方向是设计合成纳米结构材料用于能源与环境相关的领域。楼雄文教授专注于新能源材料与器件研究并取得了卓越的研究成果，于2017年获得英国皇家化学会旗下期刊Energy & Environmental Science所颁发的 Readers’ Choice Lectureship Award，2017年入选英国皇家化学会会士Fellow of Royal Society of Chemistry (FRSC)、2013年获得世界文化理事会特别荣誉奖World Cultural Council (WCC) special recognition award、同年获得十五届亚洲化学大会—亚洲新星、2012年获得新加坡国家科学院—青年科学家奖等。2015年入选新加坡国家基金研究会评审员Singapore National Research Foundation (NRF) Investigatorship。楼雄文教授现为Science Advances副主编、Journal of Materials Chemistry A副主编、Small Methods编委。楼雄文教授在包括如Nature Energy(1篇)、Science Advances(7篇)、Chem(4 篇)、Joule(3 篇)、Nature Communications(6 篇)、Energy & Environmental Science(32篇)、Journal of the American Chemical Society(16篇)、Angewandte Chemie–International Edition(51篇)、Advanced Materials(45篇)、Advanced Energy Materials(18篇)、Advanced Functional Materials(12篇)等国际顶级期刊发表论文310余篇，累计引用次数超过58600次，H指数高达147。楼雄文教授连续多年入选高被引用学者Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Clarivate Analytics (Previously Thomson Reuters)（2018），Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Clarivate Analytics (Previously Thomson Reuters)（2017），Highly cited researcher (in Chemistry, Materials Science & Envinronment) by Thomson Reuters (2016)、Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Thomson Reuters (2015)、Highly cited researcher (in Materials Science) by Thomson Reuters (2014)。

【课题组主页】

http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/

文献链接：Elegant Synthesis of CuS@CoS2 Double‐Shelled Nanoboxes with Enhanced Sodium Storage Properties（Angew. Chem. Int. Ed. ，2019，DOI:10.1002/anie.201902583）

本文由kv1004供稿。