胡征教授課題組在鎳基金屬-氧化物復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及高效儲能研究中取得重要進(jìn)展
時(shí)間：2021-04-11 14:43:02學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院學(xué)校：南京大學(xué)
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??? 介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡征教授課題組在鎳基金屬-氧化物復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及高效電化學(xué)儲能研究中取得重要進(jìn)展，題為“Mesostructured NiO/Ni Composites for High-Performance Electrochemical Energy Storage” 的論文發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science, 2016, DOI:10.1039/c6ee00603e)，并被選為back cover論文。第一作者為賴紅偉博士生，通訊作者為吳強(qiáng)教授和胡征教授。
??? 隨著納米材料科學(xué)研究的不斷深入，以納米結(jié)構(gòu)單元組裝而成的介觀結(jié)構(gòu)材料越來越引起人們的重視。這類新材料既具有納米結(jié)構(gòu)單元的“納米效應(yīng)”，其有序組裝還產(chǎn)生新的協(xié)同作用及集合效應(yīng)，成為開發(fā)新型功能材料的重要源泉，是當(dāng)今前沿?zé)狳c(diǎn)【參見：R. F. Service, The next big(ger) thing. Science 335(2012)1167】。
??? 近年來，胡征教授領(lǐng)銜的能源納米材料物理化學(xué)課題組在以碳納米籠單元構(gòu)筑的介觀結(jié)構(gòu)及其能源應(yīng)用研究方面取得了系列重要進(jìn)展【Adv. Mater. 24(2012)347, 24(2012)5593, 27(2015)3541; Nano Energy 12(2015)657; ACS Catal. 5(2015)1857, 5(2015)6707; Nano Res. 8(2015)3535; Sci. China B 58(2015)180】。最近，該課題組將研究體系從碳材料介觀結(jié)構(gòu)拓展至鎳基金屬-氧化物復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)。吳強(qiáng)教授等從促進(jìn)電化學(xué)儲能過程中電荷協(xié)同輸運(yùn)的角度，設(shè)計(jì)合成了由嵌入金屬Ni納米顆粒的NiO納米片組裝而成的多孔三維介觀結(jié)構(gòu)NiO/Ni復(fù)合物（圖1），NiO/Ni的界面形成異質(zhì)結(jié)合（圖2）。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)克服了活性材料NiO導(dǎo)電性差的致命缺點(diǎn)，將電導(dǎo)率提高了4-5個(gè)數(shù)量級；其多級孔道結(jié)構(gòu)十分有利于電解液的擴(kuò)散及離子輸運(yùn)，并利于緩釋充放電過程中因體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，改進(jìn)循環(huán)穩(wěn)定性；納米結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)t縮短了離子的固態(tài)擴(kuò)散距離。這些特點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，使NiO的儲能潛力得以充分發(fā)揮，接近理論極限，基于NiO的比容量創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了1204 C g-1（理論值：1292 C g-1），遠(yuǎn)高于通常的文獻(xiàn)報(bào)道（< 400 C g-1），基于電極總質(zhì)量的比容量也高達(dá)522 C g-1（圖2），并表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性。與介觀結(jié)構(gòu)碳納米籠配對構(gòu)建的堿性水基電池在13.6 kW kg-1的高功率下存儲11.7 W h kg-1的電量，展示出在高功率電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景。制備NiO/Ni復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)材料的方法簡便，可大量制備。該研究的思路和方法還可望在諸多電池材料儲能潛力的開發(fā)和應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。
??? 該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、科技部納米重大研究計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
 
圖1. (a) Back cover圖片；(b) 基于NiO/Ni復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)材料和碳納米籠構(gòu)建的堿性水基電池點(diǎn)亮LED燈的演示實(shí)驗(yàn)。
圖2. NiO/Ni復(fù)合介觀結(jié)構(gòu)的形貌和電化學(xué)性能。(a) 嵌入金屬Ni納米顆粒的NiO納米片；(b) 比容量與Ni含量的關(guān)系。
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