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胡征教授课题组在镍基金属-氧化物复合介观结构的设计及高效储能研究中取得重要进展



    介观化学教育部重点实验室胡征教授课题组在镍基金属-氧化物复合介观结构的设计及高效电化学储能研究中取得重要进展,题为“Mesostructured NiO/Ni Composites for High-Performance Electrochemical Energy Storage” 的论文发表于《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, 2016, DOI:10.1039/c6ee00603e),并被选为back cover论文。第一作者为赖红伟博士生,通讯作者为吴强教授和胡征教授。
    随着纳米材料科学研究的不断深入,以纳米结构单元组装而成的介观结构材料越来越引起人们的重视。这类新材料既具有纳米结构单元的“纳米效应”,其有序组装还产生新的协同作用及集合效应,成为开发新型功能材料的重要源泉,是当今前沿热点【参见:R. F. Service, The next big(ger) thing. Science 335(2012)1167】。
    近年来,胡征教授领衔的能源纳米材料物理化学课题组在以碳纳米笼单元构筑的介观结构及其能源应用研究方面取得了系列重要进展【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,该课题组将研究体系从碳材料介观结构拓展至镍基金属-氧化物复合介观结构。吴强教授等从促进电化学储能过程中电荷协同输运的角度,设计合成了由嵌入金属Ni纳米颗粒的NiO纳米片组装而成的多孔三维介观结构NiO/Ni复合物(图1),NiO/Ni的界面形成异质结合(图2)。这种独特结构克服了活性材料NiO导电性差的致命缺点,将电导率提高了4-5个数量级;其多级孔道结构十分有利于电解液的扩散及离子输运,并利于缓释充放电过程中因体积变化产生的应力,改进循环稳定性;纳米结构单元则缩短了离子的固态扩散距离。这些特点协同促进了电化学反应的进行,使NiO的储能潜力得以充分发挥,接近理论极限,基于NiO的比容量创纪录地达到了1204 C g-1(理论值:1292 C g-1),远高于通常的文献报道(< 400 C g-1),基于电极总质量的比容量也高达522 C g-1(图2),并表现出优异的倍率性能及循环稳定性。与介观结构碳纳米笼配对构建的碱性水基电池在13.6 kW kg-1的高功率下存储11.7 W h kg-1的电量,展示出在高功率电池领域的应用前景。制备NiO/Ni复合介观结构材料的方法简便,可大量制备。该研究的思路和方法还可望在诸多电池材料储能潜力的开发和应用方面发挥重要作用。
    该项研究获得了国家自然科学基金重点项目和面上项目、科技部纳米重大研究计划等项目的资助。


1. (a) Back cover图片;(b) 基于NiO/Ni复合介观结构材料和碳纳米笼构建的碱性水基电池点亮LED灯的演示实验。


图2. NiO/Ni复合介观结构的形貌和电化学性能。(a) 嵌入金属Ni纳米颗粒的NiO纳米片;(b) 比容量与Ni含量的关系。