NML研究文章 | 楼雄文：分级复合纳米材料(Co3O4腔体嵌入Fe2O3纳米管)提高锂电池性能

纳微快报Nano-Micro Letters

Metal–Organic Framework-Assisted Synthesis of Compact Fe₂O₃ Nanotubes in Co₃O₄ Host with Enhanced Lithium Storage Properties

Song Lin Zhang, BuYuan Guan, Hao Bin Wu, Xiong Wen David Lou

Nano-Micro Lett. (2018) 10:44

DOI:10.1007/s40820-018-0197-1

本文亮点

1  开发了一种金属有机框架（MOF）模板辅助合成方法，在Co₃O₄腔体内嵌入Fe₂O₃纳米管得到分级复合材料。

2  这种分级复合材料显示出优异的锂电负极电化学性能。

内容简介

锂离子电池具有高能量密度、高稳定性、长循环寿命等优点，在便携式电子设备和电动汽车中极具发展前景。传统的石墨碳电极由于理论容量受限（372 mAh/g），使得商业锂离子电池的性能遇到了发展瓶颈。

过渡金属氧化物由于其低电动势值、高理论容量、丰富的储量和环保特性，成为新一代高容量电极材料。与此同时，限制其发展的一些问题也亟待解决：（1）金属氧化物电子传导性较差，不利于锂离子嵌入/脱出；（2）充放电循环过程中剧烈的体积变化会导致金属氧化物的粉碎和循环衰减。

因此，需要合理设计纳米复合结构来改善电化学性能。基于金属氧化物的超细纳米结构工程，可增加电极-电解质界面的接触，缩短Li⁺的传输距离，释放脱嵌过程中的结构应力，受到大家的广泛关注。

南洋理工大学楼雄文（Xiong Wen David Lou）等人用MOF辅助合成方法，在Co₃O₄颗粒上嵌入Fe₂O₃纳米管，制备出了分级复合纳米结构。以MOF复合物（铁基MIL-88B包裹在Co基ZIF-67颗粒内）为前驱体，经过简单退火处理即得到Fe₂O₃纳米管@Co₃O₄复合物。

这种分级复合材料的结构和成分特征有利于提高储锂性能：0.5 A/g下初始充放电容量分别为709.89和921.9 mAh/g；循环80周后放电容量保持在951 mAh/g。该研究为可控合成复杂空心纳米结构并应用于储能领域提供思路。

图文导读

1  MIL-88B纳米棒@ZIF-67前驱体的纳米结构

基于溶液的混合方法促使MIL-88B纳米棒在单个ZIF-67多面体颗粒表面的自组装。

利用PVP对预先合成好的MIL-88B纳米棒进行表面修饰，将MIL-88B纳米棒与含有Co²⁺金属离子和有机配体的溶液混合，原位生成MIL-88B纳米棒@ZIF-67复合物，MIL-88B纳米棒均匀嵌入在单个ZIF-67颗粒上。

2  Fe₂O₃纳米管@ Co₃O₄复合材料的纳米结构

以MIL-88B@ZIF-67为前驱体，通过在空气中热处理热解、氧化获得Fe₂O₃纳米棒@Co₃O₄复合材料颗粒。该分级复合纳米结构保持了前驱体的形貌和结构。

3  Fe₂O₃纳米管@ Co₃O₄复合材料的电化学性能

Fe₂O₃纳米管@Co₃O₄分级复合材料显示出优异的锂电池负极储锂性能：0.5 A/g下初始充放电容量分别为709.89和9 21.9 mAh/g，初始库仑效率为77%；循环80周后放电容量保持在951 mAh/g。

这主要得益于：1）复合结构中两种不同氧化物的氧化还原化学势不同，有利于电化学反应以及高能量密度；2）分级腔体结构有利于电极/电解液的充分接触以及容纳嵌Li⁺/脱Li⁺过程中带来的应变和体积变化。

作者简介

主要研究方向：

中空纳米结构材料的设计合成与应用研究：如 ① 锂离子电池；② 超级电容器；③ 电催化等。

主页：

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

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