煤基功能碳材料研究取得新進展
隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，非化石能源在新能源體系中的比例逐漸提高。2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上，闡述了中國控制二氧化碳溫室氣體的戰(zhàn)略，到2060年實現(xiàn)碳中和的目標，屆時非化石能源在我國能源中的比例預期達到84%。要實現(xiàn)這一宏偉目標，開發(fā)新能源技術愈發(fā)迫切。以鈉/鉀離子電池為代表的高性能低成本新型二次電池，是新能源技術研發(fā)的關鍵和重點領域之一，其核心是新結構高性能電極材料的設計及可控制備。我國煤炭資源豐富，如何以廉價的煤炭及其衍生物為前驅體，創(chuàng)制新結構功能碳材料，對于開發(fā)高性能電化學儲能器件、實現(xiàn)煤炭精細化高值利用有重要意義。
煤炭的精細化高值利用事關中國經(jīng)濟的綠色化可持續(xù)發(fā)展，圍繞這一目標，邱介山教授團隊持之以恒地開展了系統(tǒng)深入的研究。他們以低階煤和煤系瀝青為原料，基于芳烴分子剪裁與修飾方法，結合控制碳化技術，創(chuàng)制了一系列高性能鈉/鉀離子電池負極材料，成果陸續(xù)在能源化工、碳材料科學與技術等一流期刊上發(fā)表：Carbon?2018, 135, 187-194; Chem. Eng. J. 2018, 342, 52-60;?Carbon?2020, 162, 431-437; Chem. Eng. J. 2020, 382, 121759。在前期工作基礎上，最近，他們研究建立了一種瀝青基納米碳纖維負載氮氧化鉻納米粒子的合成技術，用做金屬鋰負極顯示出優(yōu)異的性能，相關工作以全文形式發(fā)表于Small, 2020, 2003827, DOI: 10.1002/smll.202003827.
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在這個新技術中，異質晶種修飾的納米碳纖維膜材料可以降低成核能壘，進而誘導金屬鋰的均勻沉積。納米晶種的物理穩(wěn)定性和化學反應性是保證鋰金屬電池長循環(huán)穩(wěn)定性的前提和基礎。該研究以煤瀝青為添加劑，調控納米碳纖維微晶的結構和雜原子含量與分布，進而誘導氮氧化鉻(CrO0.78N0.48?)納米粒子在碳纖維表面的原位均勻生長；氮氧化鉻納米晶種具有低的帶隙和獨特的電子結構，有優(yōu)異的親鋰性、高離子/電子電導率和豐富的電化學活性位。以該材料作為金屬鋰負極，呈現(xiàn)出典型的納米晶種誘導成核機制，實現(xiàn)了金屬鋰的無枝晶均勻沉積，在1 mA cm-1電流密度及小于15?mV的過電勢下，穩(wěn)定循環(huán)1000 h未見明顯極化。
文章第一作者為大連理工大學博士研究生肖劍，通訊作者為肖南副教授和邱介山教授，工作得到國家自然科學基金項目（U1508201）及中央高?；究蒲袠I(yè)務費（DUT20LAB131）的支持。
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