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河北工业大学《AFM》:三维有序介孔碳石墨烯气凝胶,用于钠离子存储设备
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-25  点击数:209

  1成果简介
  储纳设备的兴起对具有大容量、长寿命和快速速率能力的储纳阳极材料提出了更高的要求。介孔碳,无论是作为活性材料还是作为客体活性纳米粒子的宿主,都被认为是很有前途的电极材料。然而,通过简便的多孔结构设计来解决因体积变化而导致的寿命短问题,以及因表面积大而导致的库仑效率低问题,仍然是一项挑战。本文,河北工业大学Chengwei Zhang、王恭凯 副研究员团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Graphene Aerogel Armed 3D Ordered Mesoporous Carbon as Versatile Anode Platforms for Sodium-Ion Storage Devices”的论文,研究通过石墨烯气凝胶(GA)(
GA@PMC)开发了一种多功能磷掺杂介孔碳(PMC)武装,用于承载贮钠活性纳米粒子。
  作为一项案例研究,FeSe2 纳米粒子被选择性地支撑在这种
GA@PMC 基质上,形成了 FeSe2/GA@PMC 复合材料。在典型的纳离子存储设备(如纳离子电池、纳离子混合电容器和基于纳离子的双离子电池)中使用时,FeSe2/GA@PMC 电极始终表现出卓越的电化学性能。在这种 GA@PMC 中,保形 GA 可以提高整体导电性,同时减少与电解质直接接触的比表面积。相互连接的大孔结构不仅能促进 Na+ 的扩散,还能缓冲客体活性纳米粒子的体积变化。这种定制的碳平台协同赋予了电极材料更强的速率能力、循环稳定性和库仑效率,这正是先进贮钠设备所期待的。
  2图文导读 


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  图1、FeSe2/GA@PMC 的制造示意图。


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  图2、a) GA、b) GA@PMC 和 c) FeSe2/GA@PMC 的扫描电镜图像。d) GA@PMC 和 e) FeSe2/GA@PMC-2 的 TEM 图像。f) FeSe2/GA@PMC-2 的 SAED 图样。g) FeSe2/GA@PMC-2 的暗场 TEM 图像和相应的 EDS 元素图谱。


QQ截图20240625102730.jpg


  图3、a) XRD 图样;b) N2 吸附-解吸等温线;c) FeSe2/GA@PMC-2、FeSe2/PMC 和 GA@PMC 复合材料的 PSD 曲线;d) FeSe2/GA@PMC-2 复合材料的 XPS 勘测光谱,以及相应的 e) C1s 和 f) P 2p 的高分辨率 XPS 光谱。


QQ截图20240625102738.jpg


  图4、a) 比较不同 FeSe2 含量的 FeSe2/GA@PMC 电极的雷达图。b) FeSe2/GA@PMC-2、FeSe2/PMC 和 GA@PMC 电极的 CV 曲线和 c) 速率能力。e) FeSe2/GA@PMC-2 和 FeSe2/PMC 电极的 GITT 曲线和离子扩散系数。f) 不同扫描速率下电容对总比容量输出的贡献比例。g) 5 A g-1 条件下电极的长期循环稳定性。


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  图5、a) FeSe2/GA@PMC-2 电极在 0.1 A g-1 时的 GCD 曲线;b) FeSe2/GA@PMC-2 电极的原位 XRD 图样和 c) 相应的等值线图;d) FeSe2/GA@PMC-2 电极在状态 5 和状态 9 时的 HR-TEM 图像。e)吸附在 FeSe2 表面和 FeSe2/C 界面上的 Na 离子以及 f)吸附在纯碳和掺杂 P 的碳结构上的 Na2Se 的优化结构和相应的电子密度差。黄色、绿色、橙色、黑色和紫色球表示 Na、Se、Fe、C 和 P 原子,红色和蓝色区域表示电子积累和耗尽。


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  图6、a) FeSe2/GA@PMC-2//AC SIC的放电过程示意图。b) 阳极、阴极和 SIC 的选定工作电位范围。e) SIC在1Ag-1 下的长期循环性能。f) FeSe2/GA@PMC-2//NVP SIB 的 Ragone 图与文献结果的比较;g) 我们的 SIB在1Ag-1下的长期循环性能。


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  图7、a) EG//Na 半电池在0.1Ag-1 条件下第一个周期的GCD曲线。b,c) EG 电极的原位 XRD 图和相应的二维等值线图。
  3小结
  总之,我们开发出了一种由石墨烯气凝胶(GA)包裹的多功能磷掺杂介孔碳(PMC)(
GA@PMC),可用于承载具有贮存态纳离子活性的纳米颗粒。此外,以 FeSe2 为例,FeSe2/GA@PMC 复合材料已成功应用于钠离子存储设备(SSD)。经过优化的 FeSe2/GA@PMC-2 电极在镎离子半电池中循环 1000 次后,在 5 A g-1 电流条件下可达到 345.1 mAh g-1 的高比容量。制备的 FeSe2/GA@PMC-2//AC SIC 最大能量/功率密度高达 129 Wh kg-1/9411 W kg-1,使用寿命长(在 1 A g-1 条件下循环 8000 次,电容保持率为 86.7%)。此外,组装后的 FeSe2/GA@PMC-2//NVP SIB 还能达到 164 Wh kg-1/9866 W kg-1 的超大能量/功率密度和极高的稳定性(在 1 A g-1 条件下循环 800 次后,电容保持率为 94.6%)。
  此外,按原样构建的
FeSe2/GA@PMC-2//EG SDIB 的最大能量/功率密度为 234 Wh kg-1/15 283 W kg-1,同时具有出色的循环稳定性,在 1 A g-1 条件下循环 1000 次后仍能保持 86.4% 的初始容量。这种出色的性能主要归功于复合材料中每种成分的协同效应。相互连接的石墨烯薄片不仅能形成导电网络,增强电极的导电性和动力学响应,还能缓冲活性材料的体积膨胀,实现良好的循环稳定性。GA 中相互连接的大孔可为离子/电解质提供快速扩散通道。此外,GA 的引入还能降低比表面积,从而减小电极/电解质界面,提高库仑效率。此外,DFT 计算表明,在碳中掺杂 P 可以增强放电产物(Na2Se)在碳上的吸附,从而提高电极的稳定性。总之,鉴于 GA@PMC 电极的易合成性、成本效益和优异的电化学性能,我们预计它将在广泛的电化学储能系统中找到前景广阔的应用。
  文献:


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