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  • 東北大學理學院團隊在鈉離子電池電極材料領域取得重要研究進展


    近日,東北大學理學院王淑蘭教授團隊在鈉離子電池(SIBs)負極材料研究領域取得重要進展。該團隊首次提出了一種負載高功函金屬量子點的莫特-肖特基異質結儲鈉材料通用制備策略, 深入探究了銅量子點增強肖特基異質結界面電場的作用機制,為提高過渡金屬碳化物的鈉離子存儲能力提供了一種新穎的研究途徑,對開發先進的儲能器件具有重要意義。該成果《Quantum Dot Heterostructure with Directional Charge Transfer Channels for High Sodium Storage》已在線發表于國際頂級材料期刊《能源存儲材料》(Energy Storage Materials, 39, 2021, 278-286)(東北大學理學院博士研究生楊松為本文第一作者),東北大學分析測試中心為本文數據采集、表征工作提供重要支撐。

    過渡金屬碳化物具有較高的導電性和化學穩定性,被認為是極具發展前景的SIBs負極材料。然而,充放電過程中Na+反應動力學遲緩,活性材料體積膨脹嚴重,極大地阻礙了SIBs的實際應用。東北大學理學院王淑蘭教授通過引入高功函金屬量子點構建界面肖特基異質結來提供定向電荷轉移路徑,進一步拓寬空間電荷區域并增強區域電荷密度,從而實現各項電化學性能均優異的SIBs負極設計。作為概念的證明,該團隊研究人員采用雙螯合劑配合原位聚合的方法,巧妙合成了嵌有Cu 量子點和Mo2C/MoO2納米粒子的一維空心管狀納米結構(圖一)。得益于金屬量子點最大化的金屬利用率和肖特基異質結的電荷轉移加速作用,該電極在Mo2C基材料中獲得了創紀錄的容量和倍率性能,并表現出超長循環穩定性;在0.1 A g-1電流密度下其平均放電比容量為376.9 mAh g-1;即使在8 A g-1高電流密度下長循環5000圈其電容保持率仍高達94.6%。

    1 電極材料的合成路線和微觀結構形貌表征


    2電荷輸運行為與能帶結構分析

    為了進一步探究Cu 量子點對肖特基異質結的界面調控機制(圖2),研究人員對復合材料的電荷輸運行為和能帶結構進行了詳細的分析。其中光致發光測試結果表明Cu 加載后復合材料的電荷轉移速率明顯增強;肖特基曲線測試結果表明Cu加載后曲線斜率明顯降低,材料內部電荷載流子密度得到提升;紫外可見漫反射光譜和X-射線光電子能譜價帶譜測試結果表Cu 量子點的引入只改變了電子的流動方向,導致載流子密度和勢壘區的能帶彎曲,帶隙能和價帶位置并未發生明顯變化。正如量子點加載前后異質結能帶結構示意圖(圖2E)所示,由于定向電荷轉移通道的引入,復合材料界面電場得到了顯著增強,更多的電子可以快速參與氧化還原反應,提高了電荷轉移動力學。此工作立足于解決能源領域的前沿問題,取得的理論創新成果為鈉離子電池電極材料提供了一種全新的設計理念,對先進儲能/轉換材料的商用開發具有重要意義。



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