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新型層狀結構納米材料可顯著提高電池儲能
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       層狀結構納米材料掀起了材料研究的熱潮。層狀結構材料的層內以較強的共價鍵或者離子鍵結合而成,而層與層之間是通過較弱的范德華力相互作用堆疊在一起。在外力的作用下,層間可以發生寬化甚至剝離形成單層二維材料。層狀過渡金屬二硫屬化物(MX2)納米片具有可控的層數、超薄的單層厚度、豐富的二維層間通道、較大的層間表面積等特點,呈現出奇異的物理與化學性質。近年來,這類材料廣為人們所青睞,是當前國際研究的熱點和前沿領域。MX2納米材料具有優異的電化學性能,在二次電池、超級電容器、電催化和光電化學器件等方面具有良好的發展前景。MX2層間結構變化對材料的物理性質及電化學能量存儲與轉換性能具有特殊的影響意義。


     合肥工業大學電子科學與應用物理學院許俊教授與香港城市大學超金剛石及先進薄膜研究中心(COSDAF)李振聲教授合作,圍繞調控MX2納米片的層間結構來提高材料電化學儲能與催化性能這一主題,開展了富有成效的研究探索,并取得了一系列創新性研究進展。


    記者從合肥工業大學獲悉,該??蒲腥藛T通過調節層狀結構過渡金屬二硫屬化物的分子間層間距離,實現了電極材料電化學儲能與催化性能的大幅提升,為發展高性能電催化與儲能器件開辟了新路徑。相關研究成果日前發表在《納米能源》和《先進能源材料》等國際期刊上。

層狀過渡金屬二硫屬化物納米片

  層狀過渡金屬二硫屬化物納米片具有層數可控、單層厚度超薄、二維層間通道豐富、層間表面積較大等特點,具有優異的電化學性能,在二次電池、超級電容器、電催化和光電化學器件等方面具有良好的發展前景。然而,由于傳統層狀材料層間距離較窄,離子在材料層間傳輸的阻力較大,從而限制了其電化學性能。


  合肥工業大學電子科學與應用物理學院許俊教授課題組,與香港城市大學科研人員合作,將二硫化鉬的層間距從0.615納米寬化到0.99納米,從而促進鈉離子的快速傳輸,提高了材料的電子電導率。實驗結果表明,層間距寬化后的納米材料,實現了電極材料倍率性能和儲能穩定性的大幅提升。


  “通過外力拓寬層間距離后,可大幅降低鋰、鈉、鎂等離子在層間的傳輸阻力,從而提升這些納米材料在離子嵌入型儲能器件中的電化學性能?!痹S俊教授介紹說,這一成果可應用在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池和超級電容器中,從而大幅提高儲能器件性能。

 

層間距寬化的MX2納米材料

    論文從MX2納米片層間結構出發,討論了層間結構變化包括層間距變化和外來功能粒子插層作用對MX2材料電化學儲能與催化性能的影響和意義。論文總結和分析了層間寬化MX2納米片的合成方法,分別討論了“自上而下”和“自下而上”兩種思路來制備不同層間距的MX2納米材料,通過引入有機或無機功能粒子(有機分子、無機離子、原子層二維材料、量子點等)來合成雜化結構并調控MX2的層間距。論文系統討論了該類材料在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、贗電容超級電容器和電催化析氫等方面的研究進展。對于離子插層型的儲能器件,MX2層間距寬化能夠優化離子嵌入能、提高離子擴散動力學,有利于緩釋充放電過程中MX2電極材料的體積效應及產生的應力,顯著提高其充放電性能。另一方面,層間距寬化能夠改變MX2材料的電子能級結構,優化材料的氫吸附自由能,提高其電催化析氫過程中的反應動力學,論文系統分析了層間距寬化并結合小尺寸效應、晶相調控、缺陷密度及材料復合等手段,增加MX2催化劑的活性位點、提高其析氫性能。最后,論文進一步闡述了層間距寬化的MX2納米材料在環境處理方面的潛在應用。


    針對未來MX2層間調控的發展,作者認為可以集中在MX2層間距寬化機理、功能插層粒子開發、實驗與理論計算相結合、先進表征手段等方面,分析和揭示MX2層間結構與材料性能之間構效關系,進而為材料的可控合成及電化學性能研究提供有效的指導方向。


來源:南方網


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