超薄纳米片诱导法制备三维网络状介孔金属氧化物

过渡金属氧化物（TMOs）因具有较高的理论容量成为极具潜力的锂离子电池（LIB）负极材料。然而，TMOs在离子嵌入过程中会发生巨大的体积变化，而且离子传输/电子传导的效率较差，因此在实际应用中体系材料的循环性能和倍率性能欠佳。为了改善TMOs作为LIB负极的性能，研究人员开发了多种纳米结构，例如纳米管、纳米片和空心球等。在不同结构中，三维结构有利于缓解体积应力并提升电子传导。此外，大表面积和丰富孔结构的设计也可以改善离子的传输效率。

最近，天津大学赵乃勤教授（点击查看介绍）课题组采用超薄纳米片诱导合成的方法成功制备出三维网络状介孔氧化钴（3D-MN Co₃O₄）。他们在制备过程中使用三维掺杂碳网络（N-CN）纳米片为模板，吸附金属离子后进行空气煅烧将N-CN模板移除，从而得到三维网络状的氧化钴（图1）。

图1. 3D-MN Co₃O₄制备模式图

图2. 3D-MN Co₃O₄微观结构及成分分布

首先，他们通过NaCl模板制备得到3D N-CN。SEM图像（图2a）显示3D N-CN由超薄纳米片（厚度小于10 nm）组成。随后，他们将3D N-CN浸入2 mol•L^-1的Co(NO₃)₂溶液中。N-CN良好的亲水性保证其均匀分散在溶液中。3D N-CN吸附Co离子后，经过滤、干燥，并在空气中500 ℃条件下煅烧，可以除去碳模板得到3D-MN Co₃O₄。由图2b和2c可以看出，3D-MN Co₃O₄呈三维连通特征，且碳基体的移除可获得丰富的介孔结构。由图2d亦可看出，该三维网络是由尺寸在5-10 nm的小颗粒组成，这一纳米尺寸有利于锂离子的嵌入与脱出。

图3. 3D-MN Co₃O₄作为LIB负极材料的性能表现

作为LIB的负极材料，3D-MN Co₃O₄在0.2 A•g^-1的电流密度下表现出优异的锂存储能力（图3）。初始放电和充电比容量分别为800和545 m•h•g^-1。经历初始20个循环的衰退后，储锂性能被激活，在经过200次循环后，放电和充电比容量分别增加到957和924 m•h•g^-1，实现了170％的容量保持率。更为重要的是，该方法被证实同样可应用于其他TMO材料的制备，包括Fe₂O₃、ZnO、Mn₃O₄、NiCo₂O₄和FeCoO₂。

纳米片诱导法制备三维Co₃O₄介孔网络作为高性能的锂离子电池负极材料具有三个突出的优点：（1）高比表面积改善电极/电解质的界面，并提供有效的电荷输送路径；（2）丰富的介孔不仅提高了质量运输效率，而且减轻了体积膨胀；（3）纳米颗粒促进了锂离子的扩散。同时，该方法也为其他金属氧化物的制备提供了新的思路。这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是天津大学的博士研究生朱杉。

该论文作者为：Shan Zhu, Jiajun Li, Xiaoyang Deng, Chunnian He, Enzuo Liu, Fang He, Chunsheng Shi, Naiqin Zhao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrathin-Nanosheet-Induced Synthesis of 3D Transition Metal Oxides Networks for Lithium Ion Battery Anodes.

Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1605017, DOI: 10.1002/adfm.201605017

导师介绍

赵乃勤

http://www.x-mol.com/university/faculty/43018