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康飞宇/杨全红/李峰/吴丁财等综述: 超结构碳材料的设计与能源应用 精选

已有 3242 次阅读 2024-2-1 09:56 |系统分类:科研笔记

1、导读>>

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碳材料作为绿色储能设备的重要组成,本文提出一种超结构碳,总结了其特定结构、网络及界面耦合,同时介绍了超结构碳在超级电容器、锂和钠离子电池、锂-硫电池和催化等相关能源设备中的应用。本文对促进先进碳材料的发展、助力高能量密度的能源设备具有重要意义。

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全文已在线发表(Online First),开放获取(Open Access),免费下载。欢迎阅读、分享!

Citation:

https://www.sciopen.com/article/10.26599/EMD.2023.9370017(点击直接阅读文章)

2、背景介绍>>

近年来,由于便携式电子产品、电动汽车和电网储能应用的迅猛发展,人们对具有长周期稳定性、高功率和高能量密度特点的储能设备的需求急剧增加。碳材料作为能量储存和转换的关键成分,可用作活性材料、导电添加剂或其他功能成分,碳材料具有广泛的前体、合成多样性、可控性和可定制的结构和界面,且成本低、对环境无害,因此成为各种能源应用的理想解决方案。材料的宏观特征在很大程度上取决于“范式”单元的内在性质及其在空间中的排列方式。如果能将由某些结构特征组成的基本“范式”作为构件,然后通过设计将其按一定的空间顺序排列,就可得到具有优异性能的新型碳材料,甚至可以进一步提高对碳材料功能的认识。因此,区分和定义这些新型先进碳材料与传统碳材料的“范式”特征是非常必要的。本文提出具有定制功能的SSCs概念,定义了一类碳基材料—超结构碳(SSC),其特点是"有序组织"和由基本单元组装而成的目标导向结构。

3、图文介绍>>

本文探讨了实现具有定制结构SSCs的方法,包括精确孔隙结构、自由调节的可收缩网络和高度耦合界面。讨论了在锂电池、电催化反应、超级电容器(SC)和锂-硫电池等能源设备中所需的特定SSCs设计。最后,对SSCs在高性能设备实际应用下的挑战提出了总结和未来的展望。

首先,作者总结了具有定制结构的SSC的示例。设计定制结构的SSC,对孔隙的整体结构进行特定设计,并实现孔隙入口和孔体尺寸键的解耦设计(图1)。设计可自由调整的碳网络,可收缩碳网络结构更加致密(图2)。不同组分之间通过化学键耦合实现高耦合界面,促进电子转移,提高倍率性能和催化活性(图3)。

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图1. (a) 通过反应模板诱导自组装制备的有序介孔聚合物和碳材料示意图;(b) OMC的TEM图像;(c) 设计的有序孔与传统无序孔的性能比较。图片版权@ACS。(d) 通过直接碳化法设计和制备新型HCNs;(e) HCNs的TEM图像,比例尺为200 nm;(f) HCNs的内部孔径分布直方图;(g) N2吸附-解吸等温线。图片版权@Nature (h)通过选择性化学气相沉积(CVD)控制甲烷的孔隙入口。

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图2. (a) 利用毛细管干燥法制造三维高多孔致密石墨烯宏形体(HPGM)的示意图。(b) 三维致密石墨烯组件和石墨的X射线衍射图样。(c) 扫描电镜图像和(d, e) 高分辨率TEM图像,显示存在由紧密相连的石墨烯片形成的微孔。(f)长程有序多孔碳(LOPC)的制造示意图。(g) LOPC材料的TEM图像和(h) XRD光谱。图片版权@ Nature。

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图3. (a) NCNT-GHN的结构示意图;(b, c) 不同放大倍数的TEM图像显示的NCNT-GHN呈地毯状,纯度高,排列整齐,性质开放;(d) NCNT-GHN上分散良好的PtRu纳米颗粒。(e)传统多壁CNT上的PtRu纳米颗粒,可以观察到PtRu纳米颗粒很容易形成聚集体。(f) Co/N-PCNS的制造示意图;(g, h) 不同分辨率的TEM图像,显示了嵌入碳层的Co 纳米颗粒的形成;(i) Li2S4团簇与N掺杂碳包覆的Co之间的DFT计算。图片版权@WILEY-VCH & Co. KGaA, Weinheim。

其次,作者介绍了SSCs在超级电容器、锂和钠离子电池、锂-硫电池和催化等方面具有重要应用,详细讨论了超结构碳在能源设备中的构效关系。

设计孔致密的SSC、三维分层的多孔SSC、高耦合复合SSC用于实现超级电容器的高能量密度和高倍率性能(图4)。

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图4. (a) 利用可调节的GO与EG前驱体比例从水分散液中制备EGM-GO薄膜的示意图;(b) X射线衍射图样和相应的d间距;(c) 容积电容随重力电容和EGM-GO薄膜密度的变化。图片版权@Nature。(d) 柔性活性炭纤维/二氧化锰纳米片复合电极示意图;(e) 循环性能;弯曲后不同循环的容量保持率(在2 mV S-1下的CV测试)。图片版权@ WILEY-VCH。

通过优化孔隙结构,设计最小空间的精确缓冲区,实现钠离子电池的高初始库伦效率和高体积容量(图5)。

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图5 (a) 控制典型多孔碳(左)的纳米孔以产生目标筛分碳(右)的示意图,以及它们不同界面电双层的比较。(b、c)典型多孔碳和筛分碳的相应充放电曲线。(d) 筛分碳负极内钠动态聚集过程。图片版权@ Oxford University Press on behalf of China Science Publishing & Media Ltd。(e) 具有内部蜂窝状碳框架的芯壳硅/碳(Si/C)纤维示意图和(f) 相应的SEM图像。(g) 对应负极材料的循环性能。图片版权@The Royal Society of Chemistry。(h) 可流动硫作为空隙模板,以最少的所需空隙进行精确的缓冲设计。(i,j) 硫磺模板移除前后石墨烯包裹SnO2的TEM图像。(k)不同数量的原始硫模板的梯度重力容量变化。图片版权@Nature。

对于SSC在锂-硫电池中,主要是利用致密化碳骨架构造具有封闭孔隙的高容量正极,构筑三维互连碳网络增强反应动力学,并制备导电多孔框架增加催化剂的负载空间(图6)。

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图6 (a) 3DCN-3/84S 的结构示意图;(b) 3DCN-3/84S在不同硫负载量下的充放电曲线。(c) 3DCN-3/84S在不同硫含量下的循环稳定性。图片版权@Elsevier。(d) 带有原位形成的ZnS纳米颗粒和Co-N-C单原子催化剂的多孔碳宿主设计示意图。(e) 锂-硫软包电池的容量保持。图片版权@Nature。(f-h) 面内石墨烯-TiC异质结构的合成路线和结构特征。图片版权@ Elsevier。

最后,作者讨论了SSCs在电催化方面的应用。通过实现快速传质的中空碳纳米纤维,提高催化能力。连续电子转移的导电碳框架用作均匀负载催化剂的基底,加速催化反应中的电子传输。设计具有高度耦合界面的SSC还能进一步增强界面电子传递,提高催化活性(图7)。

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图7(a) N,P-HCNF-8的TEM图像;(b) N,P-HCNFs的BET比表面积、Cdl和jk。(c) 柔性WS2/WO2.9/C复合膜的制备示意图。图片版权@Elsevier。(d) SA-Fe-NGM的合成过程示意图。图片版权@ ACS。(e) CND@CNF复合材料的制备过程示意图。(f) resol-F127@BIZIF1 的 SEM 图像。(g) CND@CNF1 的 SEM 和 (h) TEM 图像。图片版权@ACS。

4、总结与展望>>

本文总结出SSCs的典型特征,即SSCs是一种具有高度可调结构和性能的材料,可用于不同的能量存储和转换设备。与传统碳材料在设备中通常只有单一功能不同,SSCs可以平衡对孔隙、网络和界面的不同要求,实现结构和功能的精确组织和有针对性的构建。因此,提出SSCs概念的主要目的不仅在于整合各种功能,还在于打破碳结构和性能设计的瓶颈,实现新的性能突破。

在未来的研究中,对于SSCs应特别考虑两点。首先是在实际应用中的适用性。在商用设备中,考虑性能的同时兼顾材料的成本。许多纳米结构碳密度低,不适合商业化生产线和设备。此外,复杂的制备过程和前驱体总是导致成本高昂,难以大规模生产。第二点是深入了解碳微观结构和不同制备过程中的结构演变,因为碳前驱体及其特性多种多样。因此,人们对精细结构控制与结构性能之间关系的认识仍然不足,这阻碍了精确的结构控制和定制制备。因此,应依托先进表征方法的快速发展,开展精细结构分析,长期揭示不同碳的结构演化机理。

此外,准确把握锂离子电池、超级电容器、燃料电池、锂-硫电池和金属-空气电池等不同设备的需求,是开发合适碳材料的前提。总之,SSCs的概念为解决目前碳材料所面临的问题提供了一条途径,这对未来先进碳材料的实际应用及其相关的高性能能源设备具有重要意义。

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Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊,2023年9月创刊,清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊,聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果,面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展,推动能源科学和产业发展,助力“碳达峰、碳中和”。

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