山科大张国新教授课题组《ACS AMI》: N4空位功能化碳用于高倍率储锂

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尽管杂原子掺杂和孔管理被揭示很大程度可以影响碳材料的Li⁺吸附和Li⁺扩散特性，但同时将二者整合在同一功能单元，并加以利用尚未得到充分研究。

近期，山东科技大学张国新课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“N₄-Vacancy-Functionalized Carbon for High-Rate Li-Ion Storage”的文章（DOI：10.1021/acsami.2c13425）。为实现具有高比容量、高倍率性能的锂离子电池负极材料，该课题组开发了一种具有丰富N₄空位掺杂多孔碳材料的制备方法，该材料是先通过甲酰胺衍生Zn-N₄官能化碳材料，而后经过酸刻蚀获得N₄空位掺杂多孔碳材料V-NC。实验表明：具有丰富N₄空位的V-NC材料对于锂离子的快速存储和释放非常有利，其优势主要体现在三个方面：（1）修饰的较高含量的N（13.94 at%）大幅提升了储锂比容量；（2）N₄空位边缘的不饱和N位促进了Li⁺的高效吸附和脱溶剂化；（3）N₄空位的存在大大缩短了Li⁺的扩散路径，从而增强了Li⁺存储动力学和高倍率储锂性能。V-NC在5.0 A g^-1电流下表现出比Zn₁NC更高的比容量，并且可以在1.0 A g^-1电流下循环1000次后仍可保持564 mAh g^-1的比容量，如此验证了边缘N官能化的空位作为高效的Li⁺吸附位点和Li⁺扩散通道的重要性。这项工作的结果对用于高倍率碱离子电池的掺杂多孔碳材料的精准合成具有启发意义。

Scheme 1. Zn₁NC和V-NC材料的合成以及用于Li₊快速扩散的N₄空位的工作机制示意图.

图1. (a) HRTEM; (b) 元素映射图; (c) Zn₁NC的HAADF-STEM图像; (d) V-NC的TEM; (e) HRTEM图像; (f) Zn₁NC和V-NC的XRD曲线.

图2. (a) N₂等温线; (b) Zn₁NC和V-NC的孔分布；Zn₁NC和V-NC的XPS分析：(c)元素含量, (d) C 1s光谱, (e) N 1s光谱和(f) 不同类型N的原子含量。

图3. (a) Zn₁NC和(b) V-NC的初始五条充电/放电曲线。插图显示了功能单元的典型结构; (c) 不同电流密度下V-NC的充放电曲线; (d) Zn₁NC和V-NC的速率性能; (e) 长期循环性能。

图4. Zn₁NC和V-NC的Li⁺扩散动力学研究。以0.1至5.0 mV s^-1的扫描速率获得的(a) Zn₁NC和(b) V-NC的CV曲线; (c) b值图，根据峰值电流（ip；图a何图b中C1-C4的峰值，以及扫速）进行线性拟合; (d) 分析不同扫描速率下的电容和扩散控制贡献; (e) 通过GITT获得的Zn₁NC和V-NC的瞬态电压分布及其相应的极化图(f)计算Zn₁NC和V-NC的Li⁺扩散系数（D_Li+），作为Li⁺插入或提取状态的函数。

图5. (a) Zn₁NC和V-NC在0.1至2.0 mA cm^-2的不同电流密度下的电位分布; (b) Zn₁NC和V-NC在1.0 mA cm^-2下的循环稳定性; (c、d) Bader电荷分布。

作者简介

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赵常凯，山东科技大学储能技术学院，硕士研究生，研究方向为：纳米碳材料的控制合成及其锂离子电池性能研究，目前以第一作者或共同作者身份在知名国际SCI期刊Nano Res、ACS Appl. Mater. Interfaces发表论文3篇。

张国新，山东科技大学储能技术学院，教授，山东省优秀青年基金获得者，山东省高等学校青创团队-碳基储能技术创新团队带头人，中国化学学会及颗粒学会会员，担任Frontiers in Chemistry和Frontiers in Nanotechnology副主编，任Carbon Energy、Rare Metals、《化学试剂》、《山东科技大学学报-自然科学版》青年编委。主持国家级省部级自然科学基金6项，以第一和通讯作者身份在Energy Environ Sci, Appl Catal B: Environ, Adv Funct Mater, Nano Energy, Nano-Micro Lett、J Energy Chem、Nano Res等国际知名期刊发表SCI论文50余篇，H-index为29；出版英文专著章节3项，申请国际PCT专利4项，申请中国发明专利31项（其中15项已授权）。担任Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Nano Res., Carbon, J. Power Sources., ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Sus. Chem. Eng.等国际SCI审稿人、仲裁人。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c13425

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