沸石模板納米碳、鹼金屬硫化物、聚合物粘結劑、核殼結構

2020-11-22 騰訊網

01

沸石-模板納米碳材料用於能源存儲與轉化

納米碳材料代表了物理、化學和材料科學領域最熱門的話題之一。通過沸石-模板製備納米碳材料已經發展了20多年。近年來，以沸石為模板的納米碳的新穎結構和性能不斷得到開發，並在能源存儲和轉化領域也逐漸興起。在此，澳門大學湯子康教授聯合深圳大學張晗教授、東北師範大學郎中玲博士等人，總結了以沸石為模板的納米碳在先進合成技術、新興性質和新穎應用中的最新進展：i）由於沸石的多樣性，相應納米碳的結構眾多；ii）通過各種合成技術手段，可以獲得沸石-模板納米碳的新特性，例如多級孔隙率、異質原子摻雜和納米顆粒負載能力；iii）沸石-模板納米碳的應用也從傳統的氣體/蒸氣吸附技術發展到了先進的能源存儲技術，包括鋰離子電池、Li-S電池、燃料電池、金屬-O2電池等。最後，作者展望了沸石-模板納米碳材料的未來發展趨勢及方向。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001335

02

鹼金屬硫化物作為安全、高容量金屬-硫電池的正極

可充電鹼金屬-硫（M-S）電池因其具有高能量密度和低成本而被公認為是最有前景的下一代儲能技術之一。然而，金屬多硫化物在有機液體電解質中的溶解以及與金屬負極有關的安全性問題極大地阻礙了M-S電池的發展。鹼金屬硫化物（M2Sx）作為正極材料，可與各種安全的非鹼金屬負極配對，例如矽和錫。因此，結合使用的M2Sx正極-基M–S電池可以實現高容量和安全性，從而提供了更為可行的電池技術以供實際應用。在這篇綜述中，澳大利亞伍倫貢大學劉華坤/Yun‐Xiao Wang團隊系統總結了開發M2Sx正極-基M–S電池的最新進展，包括M2Sx正極的活化方法、M2Sx正極的優化以及電解質和負極材料的改進。此外，還指出了M2Sx正極-基M–S電池的未來研究方向。

03

可逆交聯聚合物粘結劑實現高性能鋰-硫電池

由於電池的廣泛使用對環境存在一定負面影響，所以電池的可持續性需要納入電池的系統研究中。在本文中，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Liu Gao課題組通過羧基-氨基離子相互作用使聚丙烯酸和聚乙烯亞胺交聯，合成了一種可溶性離子交聯聚合物（DICP），並將其作為鋰-硫電池的粘結劑。這種相互作用受pH所控制。因此，交聯的粘結劑（聚合物）網絡可在鹼性條件下輕鬆解離，從而提供了一種簡便的策略——通過方便的洗滌方法即可回收有價值的組分。使用回收碳-硫複合材料所製備的硫正極可提供與新鮮電極相當的容量。此外，諸如原位X-射線吸收光譜、原位UV-可見光譜、X-射線光電子能譜和密度泛函理論計算的電池性能和表徵，證實了DICP是一種比其商用產品更為有效抑制多硫化物在電解質中溶解的粘結劑。通過將可逆交聯聚合物粘結劑用於回收的Li-S電池，其電化學性能得到顯著改善，該研究闡明了大規模儲能系統的可持續發展。

04

核-雙殼結構實現高倍率鈉存儲

具有可控化學成分的核-多殼結構因其較優的電化學性能而備受關注。在此，中國石油大學（華東）孫道峰/康文裴團隊採用金屬-有機框架（MOF）-on-MOF的自模板化策略，製備了具有核-雙殼結構的秋葵-狀雙金屬硫化物（Fe7S8/C@ZnS/N-C@C），其中Fe7S8/C分布在核中，而ZnS嵌入其中一層。通過層層組裝法製備了MOF-on-MOF前驅體，其中具有MIL-53內核、ZIF-8外殼和間苯二酚-甲醛（RF）層（MIL-53@ZIF-8@RF）。用硫粉煅燒後，所得結構具有多級碳基質、豐富的內界面和分層的活性物質分布。結果，它提供了快速的鈉離子反應動力學、出色的贗電容貢獻、良好的抗體積變化能力以及逐步的鈉化/脫鈉反應機理。作為鈉離子電池的負極材料，Fe7S8/C@ZnS/N-C@C的電化學性能優於Fe7S8/C@ZnS/N-C、Fe7S8/C或ZnS/N‐C。在5.0 A g-1電流密度下循環1萬次後，能夠展現出364.7 mAh g-1高且穩定的容量，並且容量衰減率僅為0.00135%。這種MOF-on-MOF自模板化策略可能提供一種方法，以可控合成具有一定組分的核-多殼結構用於能源存儲與轉化。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201907641

05

核殼結構轉化反應機理及其儲鉀性能

各種金屬硫屬化物材料已被探究作為K離子電池（KIBs）的新型負極材料。在本工作中，韓國高麗大學Yun Chan Kang課題組探索了K離子與碲化鐵之間的電化學反應。在初始放電和充電之後，使用原位和非原位方法進行了詳細分析，包括X-射線衍射（XRD）、X-射線光電子能譜（XPS）、透射電子顯微鏡（TEM）和循環伏安法（CV）。從FeTe2與K離子反應的第二次循環起，可逆的反應機理為2Fe + K5Te3+ K2Te2FeTe1.1+ 1.8Te + 7K++ 7e‐。通過簡單的滲透和進一步碲化過程合成了能夠容納碲化鐵納米晶（FeTe2-C）的中空碳納米球，以補償在鉀化和脫鉀過程中納米晶大的體積變化。一次循環後形成的雜化FeTe1.1和準金屬Te的協同作用產生了出色的電化學性能，並且具有均勻分布納米晶的核-殼結構嵌入了碳殼中。FeTe2-C電極表現出出色的長循環性能（在0.5 A g-1電流密度下，500次循環後的容量為171 mA hg-1）和優異的倍率性能（126 mA hg-1），甚至當電流密度為10 A g-1時，亦是如此。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202000556

（本期作者：毛毛的維）

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