【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳玉程教授團隊連續(xù)在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表三篇研究文章，在電催化還原CO2催化劑、鋰硫電池和鋰離子電池負極材料等方面取得系列研究成果。
 

　　團隊成員王巖教授等人通過低溫介導(dǎo)的超聲剝離工藝，將商業(yè)Cu粉破碎成為暴露不同活性晶面的高活性Cu超細納米顆粒，用于高效電催化還原CO2生成C2H4。所制備的Cu納米顆粒電極表現(xiàn)出較高的催化活性，CO2轉(zhuǎn)化成C2H4法拉第效率高達81.5%，在-0.93 V下的最大局部電流密度為1.1Acm-2。原位拉曼光譜顯示，Cu-5電極具有豐富的CO2吸附和質(zhì)子化活性位點，可以有效地將CO2轉(zhuǎn)化為*CO中間體，導(dǎo)致電極表面具有較高的局部CO覆蓋率，促進了C-C偶聯(lián)生成C2H4。原位ATR-FTIR和DFT計算的綜合結(jié)果證明了CO-CHO與C2H4偶聯(lián)的反應(yīng)途徑，強調(diào)了Cu-5電極中Cu(100)面的存在降低了*COCHO形成的能量勢壘。該工作設(shè)計了一種易于獲得的超細銅納米顆粒催化劑，用于高效生產(chǎn)C2H4，為電催化CO2還原技術(shù)提供了一定的參考。
 

圖1 Cu超細納米顆粒電催化CO2還原性能
 

　　團隊成員劉家琴教授和博士研究生張曉菲等針對高能鋰硫電池(Li-S電池)性能受限于硫氧化還原反應(yīng)(SRR)的緩慢動力學(xué)和中間產(chǎn)物多硫化物鋰(LiPS)“穿梭效應(yīng)”的關(guān)鍵瓶頸，設(shè)計并成功構(gòu)建了一種Janus型V2O3/VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)嵌入的蓮藕狀多通道氮摻雜碳納米纖維(MNCNF)的自支撐硫載體(V2O3/VN@MNCNF)。理論計算結(jié)合實驗研究結(jié)果表明：V2O3/VN界面電荷重分布誘導(dǎo)形成的內(nèi)建電場，通過發(fā)揮V2O3吸附功能優(yōu)勢、VN高催化活性及界面增強的電子/離子傳輸，促進了多硫化物在V2O3/VN異質(zhì)界面平穩(wěn)快速的“捕獲-遷移-轉(zhuǎn)化”，從而加速了雙向硫轉(zhuǎn)化。碳納米纖維中的分級多孔網(wǎng)絡(luò)有助于電子/離子快速輸運，同時也為載硫提供了充沛空間，并物理限制了LiPS擴散穿梭和電極體積效應(yīng)。因此，基于該硫電極組裝的Li-S電池在高硫負載(6.0 mg cm-2)和貧電解液(7.5 μL mg-1)條件下，實現(xiàn)了高達4.92 mAh cm-2的面容量，150圈循環(huán)后容量保持率仍高達94.8%。該工作為鋰硫電池電催化劑的合理設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，也為鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了新的可能。
 

圖2 V2O3/VN@MNCNF的設(shè)計思路和異質(zhì)界面作用機制
 

　　團隊成員崔接武教授、余東波副研究員和博士研究生曹中南等針對金屬有機框架(MOF)導(dǎo)電性差、儲鋰容量低、儲鋰機理不明晰等問題構(gòu)建了一系列對苯二甲酸基MOF納米片，并證明此類MOF電極可以通過原位電化學(xué)重構(gòu)策略為高效儲鋰提供了一種替代方案。通過同步輻射、原位XRD，原位拉曼等表征技術(shù)發(fā)現(xiàn)對苯二甲酸MOF納米片，在初始的鋰化/去鋰化循環(huán)中經(jīng)歷逐步的組分和結(jié)構(gòu)重構(gòu)；在熱力學(xué)驅(qū)動下，金屬節(jié)點和對苯二甲酸配體分別轉(zhuǎn)化為金屬氧化物和對苯二甲酸鋰，形成更穩(wěn)定的Li─O鍵。在組分重構(gòu)的同時，MOF納米片也演變成一種獨特的多孔狀“梅子布丁”結(jié)構(gòu)，其中氧化物納米晶被對苯二甲酸鋰包裹。同時原位EIS技術(shù)表明MOF納米片電極重構(gòu)后，其離子電導(dǎo)率得到顯著改善。優(yōu)化的NiCo–BDC納米片電極能夠在0.1 A·g-1的電流密度下提供高達1582.4 mAh·g-1的比容量，經(jīng)過2000次循環(huán)后，在2 A·g-1的電流密度下保持502.6 mAh·g-1的可逆比容量。該工作提出電化學(xué)重構(gòu)開發(fā)高效MOF電極的新策略，突破了MOF在儲能應(yīng)用中的瓶頸。
 

圖3 MOF納米片儲鋰過程中的成分重構(gòu)
 

圖4 MOF納米片儲鋰過程中的結(jié)構(gòu)重構(gòu)
 

　　團隊與加拿大國立科學(xué)研究院Shuhui Sun院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授、安徽師范大學(xué)王鵬教授課題組分別開展合作，全面依托先進能源與環(huán)境材料國際科技合作基地、清潔能源新材料與技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新引智基地(111計劃)、安徽省先進納米能源材料國際科技合作基地、先進功能材料與器件安徽省重點實驗室和安徽省先進復(fù)合材料設(shè)計與制造工程中心等高水平科研平臺，相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃項目、安徽省自然科學(xué)基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項等支持。