WileyChinaBlog分享 http://blog.sciencenet.cn/u/WileyChina

博文

[转载]雷勇教授专访及研究成果集锦

已有 945 次阅读 2020-3-20 15:10 |个人分类:科研手记|系统分类:科研笔记|关键词:学者|文章来源:转载

​| 本文转自公众号“能源学人”(ID:Energist)


本期人物介绍 

0.jpg

雷勇,德国伊尔梅瑙工业大学教授。1991年于中山大学获物理系学士学位,2001年于中国科学院固体物理研究所获得理学博士学位,2001-2003年在新加坡国立大学从事博士后研究。2003到2006年作为洪堡学者和博士后研究员在德国卡尔斯鲁厄理工大学工作。2006年开始在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授。2011年起在德国伊尔梅瑙工业大学担任终身教授,并担任应用纳米物理研究团队负责人。雷勇教授在多元和表面纳米结构化、钠离子和钾离子电池、微型超级电容器等领域取得了瞩目的研究成果。迄今共发表了约198篇学术文章以及多项专利和专著,包括5篇Nature子刊,16篇文章(其中15篇通讯作者)发表在影响因子大于20的杂志上,64篇文章(其中51篇通讯作者)发表在影响因子10-20的杂志上。雷勇教授主持了多项欧洲和德国的大型研究项目,包括2项欧洲研究委员会的享有很高声誉的ERC研究项目、德国联邦教育及研究部(BMBF)和德国研究基金委(DFG)的重大研究项目等;作为项目负责人,共获得了超过650万欧元的研究项目。雷勇教授还担任国际权威期刊Advanced Energy Materials 的编委,Energy & Environmental Materials 的副主编,Carbon Energy 和InfoMat 的顾问编委。雷勇教授的主要研究方向可概括为(1)基于模板的多元有序纳米结构阵列化、表面纳米结构和图案化,(2)基于高度有序纳米结构阵列的高效能源转换、储存及光电器件和(3)低成本二次离子电池的开发。以下是雷勇教授近三年的一些研究成果汇总。


活动主题

记录2020新能源技术发展历程


活动目的

通过线上、线下的方式采访和总结新能源技术领域中的100位知名科研者的研究工作,了解新能源的最新研究进展。活动对优秀的工作和课题组进行广泛的推文宣传,以实现更多的技术对接,促进新能源科研和产业的协同发展!


活动主办方

1.jpg


活动支持方

2.jpg


专访内容


1. 您在纳米物理领域取得了诸多成果,您认为纳米结构阵列能够给这些物理/化学器件带来哪些性能上的提升呢?


在半导体衬底表面上制备的大面积纳米结构阵列可以说是很多应用型(纳米)器件的主要结构,比如各种电子器件(记忆存储器件、显示器件、芯片、光学器件等)。为了能够调控纳米结构阵列的物理/化学性能,就要求所制备的大面积纳米结构阵列具有高度有序的结构参数(如大小、间距、高度、图案排列)并且精确可调。我的研究团队多年来一直致力于表面和多元纳米结构化和图案化的研究,主要是利用多孔阳极氧化铝模板来实现高有序大面积纳米结构阵列的制备。目前我们已经可以实现大面积的(常规样品1-2平方厘米,最大可以到4英寸面积)、完美排列(无缺陷)的各种纳米结构阵列(纳米点、线、管、和其它复杂单元),通过研究这些尺度精确可调的纳米结构阵列,获得了很好的物理/化学特性和相关器件的性能提高。


2. 您是如何想到可以将传统二元孔阳极氧化铝模板扩展到多元,并制备出具有高度可控性的二元纳米结构阵列的呢?


多孔阳极氧化铝模板多年来被很多课题组用来制备纳米结构阵列,取得了很多的研究成果,并且形成了一个纳米技术的研究方向。传统的氧化铝模板具有两个先天性的缺陷:(1)纳米孔阵列和所制备的纳米结构阵列只具有一套相同的结构单元,既阵列的每个结构单元是同质的(大小、间距、排列、甚至是材料),但是在很多研究课题和器件应用中,非常希望获得具有多套结构单元的纳米结构阵列;(2)目前氧化铝模板的孔(和所制备的纳米结构)的形状非常局限,主要是圆形和方形,能否实现很多种并且可调控的形状是一大问题。我们一直在寻找能克服这两个挑战的方法。大约在2015年,在我团队的一位博士研究生文燎勇同学,第一次做出了一种独特的二元孔阳极氧化铝模板。该模板在一个基体中包含两套不同的孔,并且这两套孔的障碍层在模板的相反方向。使用相同的生长机制,二元孔模板可以扩展为具有更多几何选择的多元孔模板。这种新型的多元孔模板为多元纳米结构阵列的制备铺平了道路。紧接着我们实现了各种多元纳米结构阵列以及不同的器件展示,我们最终给这种方法命名为‘Multiple Nanostructuring Technique’。可以这么说,Multiple Nanostructuring解决了纳米结构阵列化的一个挑战,为阳极氧化铝模板的研究方向提供了新的机遇。我们目前正在研究解决关于阵列纳米结构形状的课题,已经获得了一些非常有趣的结果,希望在不久的将来能够彻底解决这个问题。


3. 随着传统石油和化石能源的消耗,通过光催化或电催化分解水制氢对于清洁、可持续能源的发展具有重要意义,您认为这一领域现在面临的主要技术瓶颈是什么呢?


催化剂性能的限制是目前亟待解决的问题,虽然贵金属催化剂在光催化和电催化制氢体系中有很高的氢催化效率,但是地壳中贵金属的分布极其缺乏,为了降低成本,这就需要我们开发非贵金属催化材料。对于电催化剂的设计,如何向非贵金属催化体系中引入纳米级别的活性位点是提高其催化制氢效率的关键。所以,对于一个既定的电催化材料,通过表面缺陷的引入和活性集团的修饰是非贵金属催化材料性能提升的有效策略。同样,对于光电催化材料的设计,如何提高光能的捕获和利用是提高光催化的前提。为此,可以利用纳米图案模板法设计非贵金属催化材料,利用光子晶体结构提高某光学波段的吸收会是种很不错的选择。


4. 超级电容器在功率特性和寿命上远高于电池,但是受限于能量密度,其应用领域有限,随着具有较高能量密度的非对称超级电容器和一些新型超级电容器的兴起,您认为超级电容器能否取代电池呢?


超级电容器在电化学能量储存领域是很重要的一个部分,其具有很多优点,比如:在很小体积下可获得法拉第级的电容量,过充/过放不会对使用寿命产生负面影响,在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出等等优点。基于超级电容器的这些特点,在某些特定的应用领域上,它具有电池所不能提供的功能。特别是我们所展示的微型超级电容器(Nat Commun 2020, 11(1),299),其作为一种新型、高效、安全的微型能量器件,具有高容量、充放电速度快、安全环保等特点,还具有比薄膜锂离子电池更宽的工作温度范围,将可能在不同领域获得应用(如对于物联网系统的各种智能器件提供动力的储能器件)。


5. 在电池领域,您主要研究的是钾离子电池和钠离子电池,相比于现行的锂电池,您认为它们的优势在哪里呢?


相比于锂离子,钠/钾离子电池的一个重要优势在于其低成本。相比于锂资源,钠/钾资源在地壳中的储量更高且分布范围更广。另外,钠/钾不会像锂一样与铝集流体发生合金反应,这使得铝箔可以替代用于锂电池中的铜箔作为集流体,从而进一步降低成本、减轻重量。此外,碱金属负极在充电过程中,表面由于不规则沉积带来的枝晶问题,以及枝晶造成的电池短路等安全问题,在以钠钾合金为负极的钾离子电池中可以很好地解决。解决电池安全问题,降低电池生产成本,这对于离子电池应用领域的拓广和更大规模的商业化有着举足轻重的作用。


6.注意到您刚刚在Energy & Environmental Materials 上连续发表了两篇关于钾离子电池的综述文章,体现了您作为创刊编辑之一对EEM的大力支持,能否谈一下您对EEM目前发展情况的评价和对该期刊的未来愿景?


由郑州大学和John Wiley & Sons, Inc.联合创办的英文期刊Energy & Environmental Materials,是一本定位于能源和环境材料研究领域的高水平的、高影响力的科研期刊。能源和环境不但是科研领域研究的热门,同时也是全世界当前所面临的两大挑战,这也是我们创立Energy & Environmental Materials 的宗旨,既能够在能源和环境材料研究领域创立一个国际化的科研刊物。我们最近发表在EEM上面的两篇关于钾离子电池的综述,分别介绍了钾离子电池正极和负极的研究进展。能量转化与储存是我们课题组主要研究方向之一,而钾离子电池则是我们研究比较深入的一部分内容,因此我们希望把该领域的最新研究进展进行总结,并结合我们近年来在研究中总结出的一些认识与大家分享。EEM将尽力以学者的视角考虑期刊的全面发展,在着眼于如何提高期刊的国际影响力的同时,能够吸引来自全世界各地的研究团队的高水平工作在我们的期刊上发表。对期刊的期望不仅仅局限于高影响因子,更多关注的是发表的论文对于科研领域和研究学者的引领、启迪和帮助作用。我相信在全体编委会成员的共同努力下,EEM将很快跻身优质期刊行列,并且在不久的将来成为源和环境材料研究领域的国际顶级期刊。

 

扫码查看EEM高被引论文Top10

3.jpg


一、基于模板的多元有序纳米结构阵列化

1. 基于阳极氧化铝模板的多重纳米结构

4.png

固体状态下的一些物理化学作用和性质与相邻材料不同组分之间的纳米级相互作用密切相关。二元纳米结构阵列可以在不同的子组分间产生紧密的相互作用,但制备二元纳米结构具有一定的挑战性。在此,雷勇教授团队提出一个概念,以实现对每个子组件(包括材料、尺寸和形态)具有高度可控性的二元纳米结构阵列。这种二元纳米结构的概念源于一种独特的二元孔阳极氧化铝模板,该模板在一个基体中包含两组不同的孔隙,其中两组孔隙的开口朝向模板的相反方向。使用相同的生长机制,二元孔模板可以扩展为具有更多几何选择的多元孔模板。

5.jpg

图1. 典型的二元纳米结构阵列


团队使用压印的阳极氧化铝模板制作了多元孔(二元、三元和四元)模板,并在尺寸、形状、尺寸和孔间距方面显示出良好的控制能力。使用不同的合成技术,可以将不同的材料独立地构建到这些二元纳米结构中,这是目前其他基于阳极氧化铝模板的方法所无法实现的。最后,还利用两种不同材料和形态之间的相互作用建立了基于二元纳米结构的原理验证装置,包括光催化反应中心、多栅晶体管和等离子体衬底。这种大规模二元纳米结构概念也有望在其他设备(包括三维电池和超级电容器)的制造中应用。


L.Wen, R. Xu, Y. Mi, Y. Lei. Multiple nanostructures basedon anodized aluminium oxide templates. Nature Nanotechnology 2017, 12 (3),244-250, DOI: 10.1038/nnano.2016.257

 

2. 模板导向可编程Janus异质结阵列

6.png

Janus异质结(HNs)作为一类重要的各向异性纳米材料,其所含的纳米组分可以促进各种功能的协同耦合。然而,确定性合成Janus HNs仍然是一个挑战。在此,雷勇教授团队基于阳极氧化铝二元孔模板,利用一种通用且可扩展的技术制造了一组可编程的Janus HNs阵列。通过设计并采用过蚀刻工艺以部分暴露二元孔模板中一组纳米组分的四个边缘,沿着暴露的四个边缘成功实现了另一组纳米组分的选择性沉积,从而形成了一个大规模密集排列的Janus HNs阵列。结合升级的两步阳极氧化法,该合成法为Janus HNs的两种纳米组分提供了高度的自由度(包括形态、组分、尺寸和界面连接)。设计制造了TiO2-Au和TiO2/Pt NPs-AuJanus HNs阵列,并证明了其光电流密度约为同等TiO2的2.2倍,H2析出率约为4.6倍。这种增强主要是由于局部表面等离子体共振诱导的直接热电子注入和在TiO2纳米管与金纳米棒界面附近的强等离子体共振能量转移。这项研究可能代表着追求定制Janus HNs领域的一大进步,并导致新的理化作用和设备应用。

7.jpg

图2. Janus HNs阵列


L. Wen, R. Xu, C. Cui, W. Tang, Y. Mi, X. Lu, Z. Zeng, S. L. Sui, P. X. Gao, Y. Lei. Template-Guided Programmable Janus Heteronanostructure Arrays for Efficient Plasmonic Photocatalysis. Nano Letters 2018, 18 (8), 4914-4921, DOI:10.1021/acs.nanolett.8b01675

 

3. 用于光谱可编程光捕获的几何可调自对准超晶格光子晶体的可扩展制造

8.jpg

超晶格光子晶体(SPhCs)在光学操作上具有极大的灵活性,可作为构建高性能器件的基础材料。从实际应用的前景来看,具有大面积均匀性和精确几何可控性的SPhCs的可扩展制造已被视为一个先决条件,但仍然是一个挑战。基于此,雷勇教授团队开发了一种以阳极氧化铝模板为导向的方法来实现最大面积(~500 mm^2)的Ni SPhCs。利用周期性阳极氧化电场产生的双孔自对准效应,Ni SPhCs获得了大面积的均匀结构。同时,由于连续的开孔,可以独立地控制每个纳米孔阵列在孔深度、大小和形态方面的几何参数。基于对Ni双孔SPhCs光吸收率的几何依赖性实验观察,进一步制备了同时具有纳米孔和纳米凹面的Ni SPhCs,不仅简化了制备过程,而且实现了全向稳定(~95%)的光吸收光谱。光学模拟表明,表面等离子体共振和腔共振是强光捕获的原因。该制造技术可应用于具有不同周期性的Ni SPhCs,从而产生光谱可编程的光吸收光谱。使用Ni SPhCs作为太阳能吸收剂,太阳能蒸汽发电系统的水蒸发效率和太阳能热电发电机的开路电压分别提高了2.3倍和2.5倍。

9.jpg

图3. Ni超晶格光子晶体的制备和结构表征


Rui Xu, Huaping Zhao, Huile Jin, Zhijie Wang, Zhiliang Zhang, Shipu Xu, Zhiqiang Zeng, Shun Wang, Yong Lei. Scalable fabrication of geometry-tunable self-aligned superlattice photonic crystals for spectrum-programmable light trapping. Nano Energy 2019, 58, 543-551, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.01.074

 

二、基于纳米结构的高效能源转换

1. 三维等离子体纳米结构设计,提高光电化学活性

10.png

等离子体纳米结构已经被广泛地掺入到不同的半导体材料中以改善太阳能的转化率。其中重要的一点就是如何操纵入射光,使更多的光有效地在半导体内散射和吸收。在此,雷勇教授团队采用可调谐的三维Au柱/截顶金字塔(PTP)阵列作为等离子体耦合器,组装的CdS/Au PTP光阳极在宽波长范围内具有约95%的出色光吸收。基于入射光子对电流效率的测量结果以及相应的时域有限差分模拟,可以得出结论,这种增强主要归因于工作光谱上Au PTP结构中的表面等离子体共振模式与光子模式之间的适当光谱互补。进一步调整AuPTP分布和CdS厚度以充分利用互补效应,最终获得了与角度无关的光电流,增强了约400%。该工作设计的Au等离子体PTP纳米结构具有很强的鲁棒性,可以很容易地推广到其他具有半导体薄膜的光电电池和光电电化学电池等离子体金属中。

11.jpg

图4. CdS/Au PTP纳米结构阵列的制备工艺示意图及结构表征

 

R. Xu, L. Wen, Z. Wang, H. Zhao, S. Xu, Y. Mi, Y. Xu, M. Sommerfeld, Y. Fang, Y. Lei. Three-Dimensional Plasmonic Nanostructure Design for Boosting Photoelectrochemical Activity. ACS Nano 2017, 11 (7), 7382-7389, DOI: 10.1021/acsnano.7b03633

 

2. 石墨烯敏化钙钛矿氧化物单层纳米片用于高效光催化反应

12.png

高效的可见光捕获和快速的电荷转移对半导体金属氧化物光催化剂上的太阳能转换具有重要意义。基于此, 江苏大学施伟东团队与雷勇教授团队合作提出了一种概念验证策略,将还原氧化石墨烯(RGO)纳米片作为光敏剂,使宽禁带Ca2Nb3O10单层纳米片(CNOMS)具有可见光催化活性。CNOMS/RGO2D–2D纳米复合物在光催化H2演化中表现出显著提高的性能,在可见光照射下H2的产生速率为820.76 μmol/hg^-1。实验和理论结果表明,由光激发的RGO产生的电子转移到Ca2Nb3O10单层纳米片中,然后参与光催化反应。构建的RGO敏化单层钙钛矿光催化剂纳米复合物被证明是一种高效的光敏剂,可以在太阳能转换中增强宽禁带半导体的可见光捕获,如图5详细阐述了这种纳米复合光催化剂的电荷转移过程。

13.jpg

图5. CNOMS/RGO纳米复合物中的光催化过程和电子转移示意图


Di Li, Huaping Zhao, Longhua Li, Baodong Mao, Min Chen, Hao Shen, Weidong Shi, Deli Jiang, Yong Lei. Graphene-Sensitized Perovskite Oxide Monolayer Nanosheets for Efficient Photocatalytic Reaction. Advanced Functional Materials 2018, 28 (52), DOI: 10.1002/adfm.201806284

 

3. 通过双步表面工程优化纳米多孔电极的析氢活性

14.jpg

电催化水解析氢反应(HER)是实现高效制氢的重要途径,其可行性有赖于电催化剂和电极设计技术。在此,雷勇教授团队提出了一种周到的表面工程策略以促进纳米多孔HER电极上析氢反应的发生。以钴纳米孔阵列(CoNPA)作为典型的纳米多孔HER电极。然后将具有最优厚度的超薄二氧化钛(TiO2)共形涂覆在CoNPA上以提高润湿性,暴露更多的活性位点,其次是将具有超低负载(约54 μg/cm^2)且分散良好的铂(Pt)纳米颗粒,锚固在TiO2层上用于增强HER活性。纳米多孔结构的先进特征与超薄TiO2层和分散良好的Pt纳米颗粒的协同作用相结合,使CoNPA@TiO2@Pt电极在碱性条件下表现出优异的HER性能,在10 mA/cm^2的催化电流密度下过电位仅为29 mV,且具有长期性能和结构稳定性。

15.jpg

图6. CoNPA@TiO2@Pt电极表面发生HER的机理分析

 

Long Liu, Di Li, Huaping Zhao, Anna Dimitrova, Longhua Li, Yaoguo Fang, Stefan Krischok, Weidong Shi, Yong Lei. Optimizing hydrogen evolution activity of nanoporous electrodes by dual-step surface engineering. Applied Catalysis B: Environmental 2019, 244, 87-95, DOI: 10.1016/j.apcatb.2018.11.036

 

三、低成本储能材料与器件的开发

1. 超级电容器纳米集流体在厚电活性材料储能中的应用

16.png

17.png

超级电容器由于其储电系统的显著优势,在过去的十年里引起了广泛的研究兴趣。然而电活性材料(特别是赝电容材料)通常以超薄共形涂层的形式存在于基于纳米集流体的超级电容器电极中,电活性材料低的负载量在很大程度上限制了纳米结构集流体的应用。基于此,雷勇教授团队制备了以镍纳米棒阵列为纳米集流体,MnO2为电活性材料的超级电容器电极,研究了纳米结构集流体在电活性材料为厚层而非超薄保形涂层时对储能能力的影响。


电化学分析表明,Ni纳米棒可以在厚层电极中形成许多导电通道,从而显著降低电活性材料/集流体界面的接触电阻。当MnO2层的厚度为1 μm时,基于Ni纳米棒的电极(NN@MnO2)具有比Ni箔作为集流体的电极(NF@MnO2)更高的面电容,其面电容是相同MnO2质量负载电极的6倍以上或者相同厚度MnO2层电极的18倍以上。而且,即使是具有3 μm厚的MnO2层,基于Ni纳米棒的电极也保持着更好的倍率性能和更高的结构稳定性。这些结果为纳米结构集流体构建具有卓越储能能力的超级电容器提供了新的机会。


此外,雷勇教授团队基于蜂窝状氧化铝纳米支架,制备了微小型化的蜂窝状整体材料,它是组装微型超级电容器活性材料的强大纳米结构平台。具有六边形单元排列和单元间间距为 400 nm 的蜂窝状氧化铝纳米支架具有超薄但坚硬且单元壁厚度仅为 16±2 nm 的纳米支架,因此每平方英寸的表面密度为 4.65×109 个单元,面积增强因子为 240,相对密度为 0.0784。这些特征允许基于蜂窝状氧化铝纳米支架的纳米电极在有限的面积内协同有效的离子迁移和充足的电活性表面积。

18.jpg

图7. 蜂窝氧化铝纳米支架的制备。


Zhendong Lei, Long Liu, Huaping Zhao, Feng Liang, Shilei Chang, Lei Li, Yong Zhang, Zhan Lin, Jörg Kröger, Yong Lei. Nanoelectrode design from microminiaturized honeycomb monolith with ultrathin and stiff nanoscaffold for high-energy microsupercapacitors. Nature Communications 2020, 11, 299, DOI: 10.1038/s41467-019-14170-6

19.jpg

图8. 不同MnO2负载量的NN@MnO2电极与NF@MnO2电极的电化学性能


Long Liu, Huaping Zhao, Yi Wang, Yaoguo Fang, Jiale Xie, Yong Lei. Evaluating the Role of Nanostructured Current Collectors in Energy Storage Capability of Supercapacitor Electrodeswith Thick Electroactive Materials Layers. Advanced Functional Materials 2018, 28 (6), DOI: 10.1002/adfm.201705107

 

2. 高性能钠离子电池用非晶电极材料的设计与开发

可充电钠离子电池(SIBs)由于其丰富的钠资源和与锂离子电池相当的性能,在大规模储能和智能电网领域引起了广泛的关注。对于与电极材料亲和性较差的离子,其表面可用性对SIBs的倍率性能至关重要,但至今未有相关报道。基于此,雷勇教授团队以非晶TiO2反蛋白石作为概念验证原型,阐明了表面离子可用性的影响及其在溶剂润湿性和倍率性能之间的关系[1]。实验结果表明,由于溶剂润湿性的提高,无论电解质的类型和电解质中离子浓度如何,以非晶TiO2反蛋白石为负极的Na电池都能获得优异的倍率性能。即使负极以高达5000 mA/g的电流密度循环,其可逆容量仍可以保持〜113mAh/g的高值。此外,雷勇教授团队还通过电化学动力学研究,证明了氧空位(OVs)的存在能够增强了无定形SnO2中的电荷转移/传输,从而提高无定形SnO2负极的电化学性能[2]。这些工作表明通过调整非晶电极材料的表面动力学或缺陷可以有效提高钠离子电池(SIBs)的电化学性能。

20.jpg

图9. 不同非晶TiO2在不同倍率下的电化学性能

 

(1) Min Zhou, Yang Xu, Chengliang Wang, Qianwen Li, Junxiang Xiang, Liying Liang, Minghong Wu, Huaping Zhao, Yong Lei. Amorphous TiO2 inverse opal anode for high-rate sodium ionbatteries. Nano Energy 2017, 31, 514-524, DOI:10.1016/j.nanoen.2016.12.005


(2) Yang Xu, Min Zhou, Chenglin Zhang, Chengliang Wang, Liying Liang, Yaoguo Fang, Minghong Wu, Lin Cheng, Yong Lei. Oxygen vacancies: Effective strategy to boost sodium storageof amorphous electrode materials. Nano Energy 2017, 38, 304-312, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.06.005

 

3. 低成本钾离子电池电极材料的研究

由于地壳中钾较高的丰度和低的成本,以及与锂相近的氧化还原电势,钾离子电池(KIBs)具有广阔的应用前景。然而,由于目前电极材料缓慢的钾动力学,实现快速充放电和较长的循环寿命是KIBs的一个挑战。鉴于此,雷勇教授团队对普鲁士蓝钾K0.220Fe[Fe(CN)6]0.805⋅4.01H2O纳米粒子进行了综合研究,以评估其作为KIBs正极材料的潜能[1]。此外,还首次将K0.220Fe[Fe(CN)6]0.805⋅4.01H2O纳米颗粒与商业碳材料匹配,组装了KIB全电池。全电池在100 mA/g的电流密度下展现了68.5 mAh/g的比容量,其在50次循环后的容量保持为93.4%。


雷勇教授团队还制备了高度掺杂氮的碳纳米纤维负极,实验表明该负极具有出色的倍率性能和可循环性[2]。其在2 A/g的电流密度下循环4000次后,仍有146 mAh/g的比容量,与普鲁士蓝正极匹配的全电池在0.2 A/g的电流密度下也具有195 mAh/g的可逆容量。二维过渡金属二卤化物(2D TMD)因具有的独特的范德华层间距可形成理想的2D钾离子扩散通道。基于此,雷勇教授团队提出了缺陷和层间工程技术的概念,利用2D TMD的范德华间隙制备钾离子电池[3]。将层间距增大且基面有缺陷的MoS2纳米层作为KIB负极,以插入反应的形式将K+储存在范德瓦尔斯间隙中。实验与动力学分析证实,在插入反应的施加电压范围内,K+的扩散系数和表面电荷存储都得到了增强。从成本效益和材料可持续性角度分析,这些工作可能为寻找高性能储钾材料提供一些启示。

 

近日,雷勇教授课题组发表综述性文章,总结汇总了目前钾离子电池正负极材料的研究进展,并指出接下来的研究方向[4, 5]。对于负极而言,目前面临的主要问题为:体相内缓慢的离子扩散速率和弱的反应动力学;钾离子脱嵌中大的体积变化;副反应、不可逆反应、电解液分解造成的库伦效率低;枝晶以及安全问题。目前主要通过纳米结构设计、碳基材料异原子掺杂、层状材料层间距扩大、复合材料设计以及电解液和粘结剂优化。为了进一步推动钾离子电池商业化,需开发低成本、环保、可再生的成熟材料;且材料制备工艺低能耗、环保。对于正极而言,尽管已开发了普鲁士蓝类似物、层状氧化物、聚阴离子化合物、有机材料等正极,取得了长足进步,性能得到了显着改善,但仍处于婴儿期,仍需要更深入的研究以解决正极材料存在的容量,稳定性和电压问题,研究其电化学行为、探索兼容性电解质,以满足PIB在实际应用中的要求。

21.jpg

图10. 不同N掺杂结构中K-吸附的理论模拟

 

(1) Chenglin Zhang, Yang Xu, Min Zhou, Liying Liang, Huishuang Dong, Minghong Wu, Yi Yang, Yong Lei. Potassium Prussian Blue Nanoparticles: A Low-Cost Cathode Material for Potassium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2017, 27 (4), DOI: 10.1002/adfm.201604307


(2) Y. Xu, C. Zhang, M. Zhou, Q. Fu, C. Zhao, M. Wu, Y. Lei. Highly nitrogen doped carbon nanofibers with superior rate capability and cyclability for potassium ion batteries. Nature Communications 2018, 9 (1), 1720, DOI: 10.1038/s41467-018-04190-z


(3) Yang Xu, Farzaneh Bahmani, Min Zhou, Yueliang Li, Chenglin Zhang, Feng Liang, Sayed Habib Kazemi, Ute Kaiser, Guowen Meng, Yong Lei. Enhancing potassium-ion battery performance by defect and interlayer engineering. Nanoscale Horizons 2019, 4 (1), 202-207, DOI: 10.1039/c8nh00305j


(4) Chenglin Zhang, Huaping Zhao, Yong Lei, Recent Research Progress of Anode Materials for Potassium-ion Batteries, Energy & Environmental Materials, 2020, 0, 1–16, DOI:10.1002/eem2.12059


(5) Mo Sha, Long Liu, Huaping Zhao, Yong Lei, Review on Recent Advances of Cathode Materials for Potassium-ionBatteries, Energy & Environmental Materials, 2020, 0, 1–11, DOI:10.1002/eem2.12060



http://blog.sciencenet.cn/blog-822310-1224440.html

上一篇:新冠肺炎疫情新形势下,Wiley面向全球教育工作者、研究人员与专业人士开放在线资源
下一篇:逆势而起 | Wiley中国开放大规模招聘

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-6-3 09:43

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部