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构筑MnO2人工叶片作为高效的锂电负极材料

二维材料由于其结构的独特性,在力学、电化学、能源存储、磁学等领域展现出了巨大的应用潜力。事实上,二维纳米结构也广泛存在于生物材料中,并产生了一些有趣的功能,这为我们进一步拓展二维仿生纳米材料的种类和应用提供了巨大的机遇。自然界中,树叶结构是一种经典而稳健的二维结构,交联的叶脉支撑能够有效提高结构的稳定性。目前,研究人员针对不同功能的人工树叶系统进行了大量的仿生研究工作。但是,由于在仿生过程中很难获得叶脉一样的骨架结构,因此在原子尺度上仿生叶片结构鲜有报道。从无机材料的角度来说,晶体材料由于晶格的存在更加趋向于一种刚性材料,而非晶材料由于原子排列的各项性更加趋向于一种柔性材料。近些来由于二维非晶材料研究日益深入,将刚性的晶体骨架引入到柔性的非晶超薄纳米基底上应该是构建原子级叶片结构一种有效的解决方案。


北京航空航天大学化学学院郭林教授(点击查看介绍)和李丽东副教授(点击查看介绍)设计并提出了一种制备原子级厚度MnO2仿叶片结构的新方法。受层生长理论的启发,如果形状较为规整的MnO2超薄纳米片为多孔非晶态,那么在一定的震荡环境下纳米片会产生一定的扭结,这是最有利于继续生长的位置。随后的原子会沿着扭结层层生长,根据能量最低原则,扭结处会发生重构从而产生晶体骨架结构。最终产物为叶片一样的二维多孔非晶/晶体结构。其中,叶一样的超薄非晶六角片可以促进离子传输,叶脉一样的晶体骨架可以提供稳定的机械支撑,叶孔一样的多孔结构可以加速离子传输速率。

仿生MnO2人工叶片的构筑机理


作者首先对样品进行了形貌表征,从TEM图中可以看出所合成的样品是尺寸约为320 nm的超薄六边形纳米片,纳米片的尺寸较为均匀,纳米片的中心镶嵌有叶脉一样的晶体骨架结构,其它部分为非晶结构。另外,在纳米片上可以看到类似于叶片中气孔一样的微孔结构。

MnO2人工叶片的形貌和结构表征


作为锂离子电池的负极材料时,首次解决了纯 MnO2容量衰减和循环性能差的问题。具体表现为:当电流密度为0.1 A g-1 时,MnO2的可逆容量高达1210 mAh g-1;电流密度为1.0 A g-1时,电池稳定循环2500圈而基本不衰减。该仿生结构设计为二维人工系统的可控合成提供了重要的理论指导,为解决纯金属氧化物电极材料循环稳定性差的问题提供了新的思路。相关论文发表在Advanced Materials 上,第一作者为化学学院博士生贾彬彬

MnO2人工叶片的锂电性能研究


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Construction of MnO2 Artificial Leaf with Atomic Thickness as Highly Stable Battery Anodes

Binbin Jia, Wenxing Chen, Yi Luo, Zhao Yang, Lidong Li*, Lin Guo*

Adv. Mater., 2020, 32, 1906582, DOI: 10.1002/adma.201906582


郭林教授简介


郭林,1964年10月生,教育部长江学者奖励计划特聘教授;国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、宝钢优秀教师奖获得者;新世纪百千万工程国家级人选;北京市优秀教师、北京市突出贡献的科学、技术、管理人才。研究方向集中在纳米材料的制备、微结构表征和特性研究方面。承担国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点基金、国家“863”项目、国家“973”课题等多项课题。研究成果在国内外化学、材料领域重要期刊(如:Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.)上发表300余篇SCI收录论文。指导的博士生的论文2篇获北京市优秀博士论文, 1篇获全国百篇优秀博士论文;作为第一获奖人,2010年获教育部自然科学一等奖,2013年获国家自然科学二等奖。


李丽东副教授研究方向集中于纳米材料的可控制备及其在电催化和能源存储方面的性能研究。近年来,以第一作者或通讯作者名义发表在Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater. 等SCI论文近40余篇,影响因子大于6的有近二十篇,他引千余次。


https://www.x-mol.com/university/faculty/19045


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