东南大学陈坚教授CEJ：等离子调制MOF衍生TiO2/C增强锂储存

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文章信息

等离子调制MOF衍生TiO2/C增强锂储存

第一作者：孙尚琪

通讯作者：陈坚*

单位：东南大学，材料科学与工程学院

研究背景

用于锂离子电池（LIB）的新型负极材料是储能领域中最活跃的研究领域之一。由于低成本，无毒，制备简便和安全性，二氧化钛（TiO2）被认为是潜在的候选者。但是，TiO2对电子和Li +离子的导电性差是严重限制其电化学性能的主要挑战。

为了解决这个问题，纳米/微结构的合理设计已被广泛使用。例如，金属有机框架（MOF）由于其独特的结构在过去几年中引起了极大的关注。特别是在惰性气体中热解时，在惰性气体中热解的MOF可以转化为嵌入多孔碳基体中的超细氧化物，作为阳极材料具有许多优势。但是，MOF衍生的纳米/微结构的改进主要依靠通过与碳复合来减小尺寸和减少外部通道，从而在氧化物表面上转移电子和离子。Li+在氧化物内部的电子传输和本征扩散能力几乎未得到改善。

近年来，等离子体技术在调制电极材料的特性方面越来越受到关注。通过电极材料上带电粒子之间的强烈相互作用，可以产生许多有利的效果。例如，原子从表面喷射的溅射会在晶格中留下空位。随着电功率和/或时间的增加，表面形态可以被蚀刻并表现出增加的表面积。

受这些优点的启发，作者以不同功率在Ar/N2等离子体中处理了源自NH2-MIL-125（Ti）的多孔TiO2/C。选择具有代表性性能和形态的能量来实验和解释等离子体的机理。优异的电化学性证明示其潜在的应用前景。更重要的是，由MOF衍生纳米/微结构和等离子体的缺陷工程组成的组合设计策略证明了在储能领域的新颖策略和技术路线。

文章简介

近日，来自东南大学材料科学与工程学院的陈坚教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Plasma modulated MOF-derived TiO2/C for enhanced lithium storage”的文章。该文章提出MOF衍生微纳结构和等离子体加工的组合策略以制备高缺陷浓度的TiO2/C纳米复合材料。该复合材料表现出优异的电化学性能，在0.5 A·g-1时可逆容量为316.9 mAh·g-1，在10 A·g-1时拥有186.1 mAh·g-1的高倍率容量。其原因归结于高能离子轰击不仅可以增加了材料的比表面积和活性位点，而且引入高浓度缺陷（氧空位，Ti3+和晶格畸变）。通过密度泛函理论计算以及阻抗和GITT实验分析，证实材料的固有电导率得到了大幅度提高。

图1. 等离子体调制TiO2/C的制备过程和优异性能的示意图。

本文要点

要点一：等离子体刻蚀以微坑等形式增加了TiO2/C的比表面积，从而优化了电解质和阳极之间的界面。等离子体轰击产生的活性位为锂离子提供了更多的存储空间，并产生了更积极的反应。
要点二：等离子体的高能轰击扩大了TiO2的晶格常数，增加了Ti3+和OVs的数量，同时提高了TiO2/C的本征电导率和Li+扩散系数。晶格畸变为锂离子提供了合适的扩散通道，并确保了锂离子周围的有效电子转移。缺陷与独特的MOF结构之间的协同作用促进了锂离子的扩散和电子转移速度，特别是对高倍率能力的影响。
要点三：该复合材料表现出优异的电化学性能，在0.5 A·g-1时可逆容量为316.9 mAh·g-1，在10 A·g-1时拥有186.1 mAh·g-1的高倍率容量。其中，较高的电容贡献仍归因于锂离子扩散长度的减少和电子传输速度的增加。

原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472034122X

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