Small：基于“相分离”多孔碳纳米管的高性能钠离子电池负极

【引言】

核壳结构在最近的研究中越来越受到很大的关注，尤其是在催化，储能方面得到广泛的应用。核壳结构不仅具有较短的离子扩散路径，较大的电极/电解液界面面积和有效的电子传递途径，而且可以有效地缓解在循环过程中纳米颗粒的体积膨胀，所以选择制备核壳的复合材料会是不错的选择。同时在此基础上可将核层刻蚀得到空心的壳层结构。

【成果简介】

最近，湖南大学张明课题组与University of Washington的Guozhong Cao课题组合作，在利用钼酸铵/聚乙烯醇体系相分离现象制备MoO₂@C纳米纤维的基础上（Advanced Materials Interfaces 2017, 4 (3), 1600816），通过去除MoO₂而制得了多孔的碳纳米管，得到了兼具高容量和长寿命钠离子电池负极。相关成果分别以“A Phase-Separation Route to Synthesize Porous CNTs with Excellent Stability for Na⁺ Storage”为题、以封面论文的形式发表在 Small。

【图文导读】

图1 相分离

(a) 钼酸铵与PVA的前躯体溶液

(b-d) 钼酸铵的浓度分别为0, 1%，10%的光学显微镜图片

 图2 前躯体扫描电镜mapping

退火前的扫描mapping，发现Mo是均匀分散在纳米纤维中，核壳结构的形成是在退火过程中。

图3 核壳MoO₂@C纳米线SEM, XED, Raman

(a,b)核壳MoO₂@C纳米线扫描电镜图片

(c,d) 核壳MoO₂@C纳米线XRD和拉曼

 图4 核壳MoO₂@C纳米线 TEM

(a,b) 核壳MoO₂@C纳米线透射电镜图片；

(c,d) MoO₂ 的晶格、电子衍射；

(e) 复合纤维中，碳、钼、氧元素分布图，证实其核壳结构。

 图5 空心碳纳米管示意图，XRD

(a)阐述多孔碳纳米管制备过程

(b)硝酸处理前的XRD

(b)硝酸处理后的XRD，证明MoO₂已经刻蚀没了

 图6多孔碳纳米管表征

（a,b）核壳MoO₂@C纳米线扫描电镜图片（850℃）

（c,d）多孔碳纳米管透射电镜图片

（e,f）多孔碳纳米管的raman、BET

 图7 多孔碳纳米纤维的XPS分析

(a) 多孔碳纳米管的XPS全谱，显示只有碳、氮、氧的存在；

(b-d) 分别是碳、氧、氮元素的精细XPS谱图。

 图8 多孔碳纳米纤维的钠电性能

(a, b) 多孔碳纳米管作为钠离子电池负极的循环伏安曲线（0.25 mV/s）和充放电曲线（0.5 A/g）

(c) 多孔碳纳米管在不同电流密度下的储锂性能

(d-f) 多孔碳纳米管分别在电流密度为0.5,1,5 A/g下的循环性能

【小结】

通过简单的单轴电纺得到核壳的MoO₂@C纳米线，揭示了核壳结构形成机理，并具有高容量长循环的储锂优势。经过热的稀硝酸处理得到的多孔碳纳米管具有高的比表面积，有利于钠离子迁移。多孔性更能提供更多的活性吸附位点。所以作为钠离子电池的负极，多孔碳纳米管展现出优异的性能。

原文链接：A Phase-Separation Route to Synthesize Porous CNTs with Excellent Stability for Na+ Storage（ Small, 2017，DOI: 10.1002/smll.201604045）

本文由湖南大学张明教授投稿，材料人新能源组背逆时光整理编辑。

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