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中科院化学所曹安民 JACS:控制纳米粒子的反应制备空心金属氧化物纳米结构

中科院化学所曹安民 JACS:控制纳米粒子的反应制备空心金属氧化物纳米结构中科院化学所曹安民 JACS:控制纳米粒子的反应制备空心金属氧化物纳米结构

近期,中科院化学研究所及中国科学院大学曹安民教授、万立骏院士(共同通讯)团队在JACS杂志上发表题为“Controlling the Reaction of Nanoparticles for Hollow Metal Oxide Nanostructures”的通讯文章。作者采用一种简单通用的方法,控制纳米粒子的反应,合成内部溶解性不同的纳米前驱体,成功制备出具有空心纳米结构的金属氧化物,此方法也可被用来制备其它空心金属氧化物;此外,利用此方法制备的Nb2O5作为锂离子赝电容器负极材料时,实验结果显示出此空心介孔Nb2O5(HM- Nb2O5)的电化学性能得到了极大的提高

亮点概括:

1:介绍了一种制备不同空心金属氧化物的简单通用法;

2:以制备的HM-Nb2O5为例考察其作为负极材料时的电化学性能;

研究背景:

    空心纳米结构的金属氧化物(HNMOs)已经广泛应用在催化,光电,生物医药,能源储存等领域,通过控制结构特征,可以赋予HNMOs不同的有利结构以便应用在不同的研究方向中。由于HNMOs有着短的物质/电荷传输路径,大量的活性位点,以及大的电解质存储与缓冲空间,此外,在快速的充放电过程中,HNMOs有着很高结构和机械稳定性,使得其广泛应用在电化学领域。

     合成HNMOs的常规方法是模板法,但是此方法耗时,产率低,且不适用于某些高价的物质(例如Nb5+)。因此,本实验中通过合成内部溶解性不同的纳米前驱体控制化学反应制备空心结构,并以HM-Nb2O5为例,考察其作为锂离子赝电容器负极材料时的电化学性能。

结果与讨论:

中科院化学所曹安民 JACS:控制纳米粒子的反应制备空心金属氧化物纳米结构

设计方案1:合成空心介孔 Nb2O5纳米球路线。

从上面示意图可知:实验首先利用尿素,草酸,Nb5+做原材料合成在水中可溶的纳米球(UNO),再利用尿素由外向内逐步的受热分解的特点,在纳米球外面生成不溶于水的壳结构(BNO),依据溶解度的不同(外壳不溶于水,内部溶于水),通过水洗可得到空心结构,最后经过高温退火处理即可制备出空心介孔的Nb2O5(HM-Nb2O5)。

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图1:(a)醇洗后沉淀的SEM及TEM图,(b)80 ℃,20分钟,用水洗后的前驱体的TEM图,形成的Nb2O5的(c)HRTEM,以及(d)XRD的谱图。

     从上图(a)(b)可以明显的看出体系中首先生成的沉淀物是纳米球(直径约450 nm),经过一定时间的加热过程,在纳米球在纳米层的外表面生成一层不溶于水的壳结构,壳的厚度约为50 nm左右。图(c)显示了当经过了600 ℃的高温处理后形成了空心的纳米球结构,且壳上也有介孔的出现,此外,球的体积略有收缩,直径约为300 nm左右,壳的厚度约为45 nm左右,从图(d)的XRD图上可以看出形成的是正交相的Nb2O5,对应的JCPDF卡片号为30-0873.

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图2:(a)不同反应时间下产物的XPS谱图,(b)反应20分钟后产物的内部及外壳上的FT-IR谱图。

      上图 (a)的O 1s谱图显示出,随着尿素的分解,UNO发生了明显的水解反应,此外,如图(b)所示,红外结果也显示了20分钟产物的内部及外壳上的化学组成的巨大差异,在内部化学成分几乎和原始的UNO一样,而外壳上主要官能团在外壳上都消失了,表明尿素确实已经完全分解。

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图3:Nb2O5/Li半电池的电化学性能(a)HM-Nb2O5的恒流充放电图,(b)B-Nb2O5 与HM-Nb2O5的倍率性能,(c)不同扫速下HM-Nb2O5的CV图,(d)不同扫速下,B-Nb2O5 与HM-Nb2O5的总容量与电容容量的贡献,1 C条件下,B-Nb2O5 与HM-Nb2O5的(e)交流阻抗,(f)循环稳定性。

     利用溶解性的差异制备的HM-Nb2O5用作电容器电极材料时,其电化学测试数据如上图所示。从图(a)可以看出,在1 C放电时,其可逆电容几乎接近理论值,在50 C(高倍率)条件下,电容仍保持有125 mAh/g;且图(b)也展示出相比于B-Nb2O5, HM-Nb2O5高倍率放电下明显提高的倍率性能;从图(c)可以看出Li+在Nb2O5晶体中传输表现出明显的赝电容特性,通过详细分析,而图(d)显示出,HM-Nb2O5的电容主要是由电容机理贡献而不是扩散控制,这也很好解释了材料好的倍率性能;图(e)的EIS展示了HM-Nb2O5有着低的电荷传输电阻及界面电阻;此外,图(f)也展示出HM-Nb2O5电极良好的循环稳定性,在2000次循环以后仍能保持86%的容量。

工作结论

本工作通过控制合成内部溶解性不同的纳米前驱体,提供了一种制备空心纳米结构的不同金属氧化物的简单通用法;此外,文章考察了利用制备的HM-Nb2O5作为锂离子赝电容器负极材料时的电化学性能,实验结果显示出此空心介孔Nb2O5的电化学性能得到了极大的提高

文献信息

Controlling the Reaction of Nanoparticles for Hollow Metal Oxide Nanostructures,JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b04948

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b04948

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 攀

主编 | 张哲旭


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