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南開大學焦麗芳教授在靜電紡能源領域研究成果匯總



焦麗芳教授課題組主要圍繞電化學能量轉換與存儲技術中儲能材料結構與儲能性能的構效關系,重點研究氫、鋰、鈉、鎂在金屬基微納電極材料中傳輸的熱力學規律、擴散動力學和電化學極化現象等,研究納米電極材料的高結晶度成長機理,及其組成、微結構、表面/界面性質等對其儲能性能的影響規律。目前開展的研究方向為二次電池(包括:鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池等),以及納米電催化析氫的研究。在國家優秀青年基金、國家自然科學基金、國家重點基金、國家973計劃等的資助下,獲得了一些創新性的成果。下面,我們簡要介紹焦麗芳教授課題組近年關于能源方面的部分重要研究成果,供大家交流學習。

 

1. AM 綜述:無粘結劑電極在鈉離子電池領域的應用  南開大學焦麗芳課題組在國際著名期刊《Advanced Materials》上發表題目為“Binder-Free Electrodes for Advanced Sodium-Ion Batteries”的文章,在這項研究中,作者主要研究各種無粘結劑電極的制備方法,主要包括無模板法和模板輔助法。在無模板方法中,電紡絲和活性材料與碳基材料的結合是主要方法。模板輔助法需要各種基底,如金屬基底(Cu, Ti, Ni等)和碳質基底(碳布, 碳紙, 碳納米纖纖等)來輔助無粘結電極的制作。無粘結劑電極不僅在電池領域具有優勢,而且有望在催化領域發揮其優勢。將活性材料直接生長在集流器上設計出無粘結劑催化劑可以暴露更多活性位點從而提高催化活性。因此,作者堅信無粘結劑電極在儲能轉化領域有著廣闊的應用前景。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.201806304
2. AEM: 優化結構設計實現NASICON型Na4MnV(PO4)3正極材料的優異儲鈉特性

  中南大學張治安教授和南開大學焦麗芳教授課題組(共同通訊作者)在國際能源類頂級期刊Advanced Energy Materials上成功發表 “Rational Architecture Design Enables Superior Na Storage in Greener NASICON- Na4MnV(PO4)Cathode”的論文。第一作者為碩士研究生李煌旭和金婷博士(共同第一作者)。論文設計了一種3D多孔石墨烯氣凝膠(GA)支撐原位碳包覆Na4MnV(PO4)3顆粒的結構,首先通過水熱和冷凍干燥工藝制備出GA作為碳基底,然后通過溶膠凝膠法在GA上生長原位碳包覆Na4MnV(PO4)3顆粒(NMVP@C@GA)。該結構具有以下優勢:1)Na4MnV(PO4)3納米顆粒有效縮短了鈉離子的擴散距離;2)三維石墨烯導電網絡極大提高了材料的電子電導率;3)柔韌的GA和原位碳包覆可以緩沖鈉離子嵌入脫出所造成的電極材料體積膨脹,從而提高材料循環穩定性;(4)多孔結構有利于改善電極/電解液的界面接觸,有利于活性物質的充分利用?;诖?,NMVP@C@GA表現出優異的儲鈉特性,0.5 C下能量密度可達~380 Wh/kg,20 C倍率下循環4000次,容量保持率為68.8%。此外,作者通過ex-situ XRD,ex-situ XPS,GITT,以及第一性原理計算對Na4MnV(PO4)3的儲鈉機理進行系統研究和表征,為該材料今后的進一步優化提供借鑒。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/aenm.201801418

 

3. Nano Energy:柔性V2O3復合多孔碳納米纖維基于嵌入贗電容機制的高倍率和超穩定儲鉀3. Nano Energy:柔性V2O3復合多孔碳納米纖維基于嵌入贗電容機制的高倍率和超穩定儲鉀

  南開大學陳軍院士團隊,焦麗芳教授(通訊作者)課題組在國際能源頂級期刊 Nano Energy 上發表了題為 “Intercalation pseudocapacitance in flexible and self-standing V2O3 porous nanofibers for high-rate and ultra-stable K ion storage”的文章。文章第一作者為金婷博士。研究人員通過靜電紡絲法制備了V2O3嵌于一維多孔氮摻雜納米纖維(V2O3@PNCNFs)的柔性自支撐電極。多孔納米纖維可以減少K+的傳輸距離,提高導電性并增加活性物質和電解液的接觸面積。自支撐電極可以確保電極的完整性并提高電池的重量能量密度。結果表明,V2O3的儲鉀機制主要為嵌入贗電容效應,理論上只有1mol的K+可以嵌入到V2O3晶體中,與傳統過渡金屬氧化物的轉化反應不同,在嵌入贗電容過程中,K+在V2O3的隧道中脫嵌,伴隨法拉第電荷轉移無相轉變發生,使得在電化學反應中保持了超穩定的結構,這在PIB中首次報道。測試結果表明,V2O3@PNCNFs在50 mA g-1電流密度下表現出240 mA h g-1的可逆容量,500次循環后容量保持率可達95.8%。當電流密度增加到1000 mA g-1時,仍可獲得134 mA h g-1的可逆容量。這項工作為進一步開發用于快速穩定儲能的贗電容納米材料提供了研究思路。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.056

 

4. Nano Lett.:靜電紡絲制備大通道多孔CuCo2O4@C納米管用于鋅空電池

  南開大學焦麗芳課題組在國際頂級期刊Nano Letters上發表題目為“Electrospun Thin-Walled CuCo2O4@C Nanotubes as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn–Air Batteries”的文章,該研究利用同軸靜電紡絲技術,基于不同分子量的聚丙烯氰在高溫下熱分解速度和程度的差異,成功制備出薄壁大通道多孔狀CuCo2O4@C納米管(CCO@C)復合材料,并深入探究了其在可充電鋅-空氣電池中的應用潛力。這一工作為靜電紡絲技術構建大通道多孔狀碳納米管復合結構,實現金屬氧化物在氧還原/氧析出催化性能上的進一步提升提供了很好的借鑒意義。

論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04502

 

5. Energy storage materials:靜電紡絲與“局部磷化”制備Co/CoP@氮摻雜碳納米纖維用于HER

  南開大學焦麗芳課題組采用靜電紡絲技術制備了Co/CoP@NC納米纖維并將其作為寬pH范圍的析氫催化劑,此研究成果以“Electrospun three dimensional Co/CoP@nitrogen-doped carbon nanofibers network for efficient hydrogen evolution”為題目發表在Energy storage materials上。由于碳基質的存在,部分靠近孔及邊緣等“不穩定”鈷納米粒子在磷化時可形成磷化鈷,而被碳包覆密實的鈷納米粒子則無法被磷化,使得在碳基質中鈷與磷化鈷兩相并存。文中主要考察了紡絲液中鈷源前驅物的配比,氬氣碳化溫度,磷化時磷源含量,以及磷化時間等條件,對其形貌結構與電催化析氫性能的影響。該一維的納米結構對于電催化析氫反應主要具有以下優勢:雙相的鈷,磷化鈷納米粒子間的協同作用促進了析氫反應動力學;一維多孔氮摻雜碳納米纖維可以相互交錯形成三維導電網絡,促進了電子傳遞與氣液快速擴散;一維多孔結構提高了電化學活性比表面積及豐富的表面化學反應位點;碳基質提升了材料的穩定性,并抑制了納米粒子在煅燒過程中的團聚。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/ j.ensm.2017.11.006

6. Small: 從一維納米材料的設計合成到鈉離子電池領域中的應用

  一維納米材料具有定向的電子離子傳導方向,強大的應力承受能力以及短的軸向電子離子傳輸路徑,被認為是十分高效穩定的鈉離子電池電極材料。南開大學焦麗芳課題組以“1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries”為題在Small上發表了綜述文章。文章總結了一維材料的性質,常見合成方法,以及在鈉離子電池中的應用,討論了一維納米材料合成方法中的一些瓶頸與難點,并展望了其在能源儲存與轉化領域的應用前景。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.201703086

7. Energy Storage Materials: 室溫下制備δ-MnO2包覆的S正極

  南開大學焦麗芳老師課題組在 Energy Storage Materials期刊上發表了題目為“Encapsulating sulfur in δ-MnO2 at room temperature for Li-S battery cathode”的文章,報道了一種室溫下10分鐘內將S正極包裹在δ-MnO2殼中的新方法,論文第一作者是曹康哲博士。他們首先將S可控的包覆一層聚多巴胺(PDA),以其為還原劑將KMnO4還原為δ-MnO2。該方法簡便、快捷,能耗低。更為重要的是,由于PDA能夠可控的粘附到眾多材料表面,采用該方法可以構筑大量錳基功能材料,展現出較為廣泛的應用空間。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012  南開大學焦麗芳老師課題組在 Energy Storage Materials期刊上發表了題目為“Encapsulating sulfur in δ-MnO2 at room temperature for Li-S battery cathode”的文章,報道了一種室溫下10分鐘內將S正極包裹在δ-MnO2殼中的新方法,論文第一作者是曹康哲博士。他們首先將S可控的包覆一層聚多巴胺(PDA),以其為還原劑將KMnO4還原為δ-MnO2。該方法簡便、快捷,能耗低。更為重要的是,由于PDA能夠可控的粘附到眾多材料表面,采用該方法可以構筑大量錳基功能材料,展現出較為廣泛的應用空間。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012
來源
:易絲幫   http://www.espun.cn/news/detail-733.html

 


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