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华中大在纳米材料电化学储能领域国际合作取得重要进展

类别:科研焦点      出处:中国化工仪器网      发布于:2018-01-31 13:54:36 | 229 次阅读

  锂离子电池作为典型的二次储能器件,拥有能量密度高、电压高、自放电低、环境友好等特点,广泛应用于储能电源、新能源汽车、消费电子、航空航天等多个领域。
 
  近年来,新发现的二维过渡金属碳化物或氮化物MXene家族由于较好的导电性、亲水性等优点,这些优越的特性使MXene二维材料成为非常有应用潜力的储能电极材料。
 
  MXene材料表面特性对其电化学性能至关重要。华中科技大学光学与电子信息学院江建军教授团队与德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授团队合作,研究了限制在二维MXene Ti 3 C 2 T x层间的电荷转移引起的EDOT聚合效应,在不使用任何氧化剂情况下在Ti 3 C 2 T x MXene的表面上实现3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)的原位聚合,显著改进了Ti 3 C 2 T x /poly-EDOT复合物的锂离子储存能力。并结合实验和理论研究揭示了EDOT电荷转移诱导聚合的机理,该机理可以扩展到其他类似的聚合物对MXene二维材料表面改性研究。
 
  该研究成果以“Charge transfer induced polymerization of EDOT confined between 2D titanium carbide layers“为题,发表在能源领域国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5: 5260,影响因子8.867。该论文被JMCA审稿人高度评价,并被期刊编辑选为” 2017 HOT Papers”。博士生陈驰为该工作的第一作者,江建军教授及Yury Gogotsi教授为该论文共同通讯作者。陈驰同学感谢国家留学基金委的资助。
 
图1 MXene/EDOT复合结构及EDOT表面聚合机理示意图
 
  二硫化钼(MoS2)是二维过渡金属硫属家族典型的一员,由于较高的理论容量而在锂离子电池领域受到大量关注。然而,由于MoS2作为电极材料时较差的导电性,并且在循环过程中产生较大的内部应力,往往表现较差的循环稳定性和倍率性能。
 
  近期,江建军教授团队与德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授团队合作,通过构建MXene/MoS2异质结构,在解决MoS2较差循环稳定性和倍率性能的同时,也能有效改善MXene作为电极材料容量较低的情况,从而达到双赢的效果。该研究通过高温处理负载硫的一种MXene(Mo2TiC2Tx),使部分MXene被硫化,从而获得二维MXene/MoS2异质结构。通过第一性原理分析表明,在锂离子嵌入和转化反应过程中,MXene/MoS2异质结构表现对Li和中间产物Li2S更好的吸附能力,从而增强材料的比容量和循环稳定性。2018年1月17日,国际知名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie,影响因子11.994)在线发表了相关研究成果,论文题为“MoS2-on-MXene Heterostructures as Highly Reversible Anode Materials for Lithium-Ion Batteries”。博士生陈驰为该工作的第一作者,江建军团队青年教师缪灵副教授及Yury Gogotsi教授为该论文共同通讯作者。陈驰同学感谢国家留学基金委的资助。
 
图2MXene/MoS2异质结构合成示意图及锂离子存储特性
 
  超级电容器作为一种新型的储能器件,因其具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等综合电化学特性,越来越受到人们的重视。然而,由于超级电容器的能量密度低于高能蓄电池一个数量级,限制了其在兼顾高能量密度领域的应用。因此开发性能优异且实用的电极材料是超级电容器研究中首当其冲的问题。
 
  华中科技大学光学与电子信息学院江建军教授团队在与法国图卢兹三大Patrice Simon教授的合作中,对MXene二维材料储能的机理研究中取得了重要进展。双方团队在合作中建立了MXene二维材料/离子液体模拟和模型,通过分子动力学方法模拟解释了在充放电过程中超级电容器电极阴阳极具有完全不同充放电机制,以及验证了在in situXRD中所观察到电极体积变化。2018年1月,该研究成果以“Tracking Ionic Rearrangements and Interpreting Dynamic Volumetric Changes in Two-Dimensional Metal Carbide Supercapacitors: A Molecular Dynamics Simulation Study“为题,发表在能源领域国际知名期刊ChemSusChem上,影响因子7.226(论文链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201702068/abstract)。审稿人对该工作进行了高度评价,认为对二维特性电极材料充放电机制提供了微观的认识,并能为实验中电极材料的设计提供了方向。博士生徐葵为该工作的第一作者,江建军教授及Patrice Simon教授为该论文共同通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金资助(No. 51302097 & No. 51571096)。徐葵同学感谢国家留学基金委的资助。
 
图3 MXene电极/离子液体模拟模型示意图
 
  近年来,江建军教授团队与相关领域国内外多个知名课题组开展广泛合作,在包括Nature Communication (8: 336, 2017.), Energy Environ. Sci. (9: 2586, 2016), Nano Lett (15: 4692, 2015), Advanced Energy Materials(6: 1501929, 2016), Nano Energy (12: 386, 2015; 12: 386, 2015; 11: 226, 2015)等能源、纳米领域顶级期刊发表了相关工作。并有3名博士生同学获得国家留学基金委资助,在国际著名课题组联合培养,攻读学位。
 
  近年来,新发现的二维过渡金属碳化物或氮化物MXene家族由于较好的导电性、亲水性等优点,这些优越的特性使MXene二维材料成为非常有应用潜力的储能电极材料。得益于国家自然基金的大力扶持以及研究人员的创新探索,华中大在纳米材料电化学储能领域国际合作取得重要进展。

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