北大鄒如強團隊制備硼氮共摻雜碳納米管材料應用于NIBs

　　近日，北京大學工學院鄒如強教授課題組在制備硼氮共摻雜碳納米管材料方面取得新進展。他們成功制備了一種新型硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe₂納米材料，并對其儲鈉機制進行了詳細研究，該材料作為鈉離子電池負極材料展現出高容量和高倍率的性能。相應成果以“Encapsulating Trogtalite CoSe₂ Nanobuds into BCN Nanotubes as High Storage Capacity Sodium Ion Battery Anodes”為題，在線發表于Advanced Energy Materials（《先進能源材料》）。

　　近年來，鄒如強課題組在制備硼氮共摻雜碳納米管包覆金屬復合材料領域開展研究工作，并取得系列進展。他們開發了簡單溶液-熱解法制備硼氮共摻雜碳納米管材料（BCN），并研究了形貌控制機制，該材料展現出優越的電催化氧還原性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475）；引入三聚氰胺海綿基底，實現了該材料的大規模制備，并成功用于超級電容器（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 21225-21230）；進一步在合成過程中利用MOF前驅體引入金屬元素，并通過熱解磷化方式成功制備出硼氮共摻雜碳納米管包覆磷化鈷納米材料，展現出良好的氫析出性能（Adv. Energ. Mater., 2017, 1601671.）；通過精確形貌控制，成功制備了系列硼氮共摻雜碳納米管包覆中空Ni、Co、Mn等金屬氧化物材料并用于高性能鋰離子電池（Adv. Mater. 2018, 30, 1705441）。研究團隊應邀在國際頂級期刊Energy & Environmental Science發表題為“Recent advances in confining metal-based nanoparticles into carbon nanotubes for electrochemical energy conversion and storage devices”（doi：10.1039/C9EE00315K）的綜述文章，總結了目前碳納米管包覆金屬納米復合材料在電化學能源存儲和轉換領域的進展。　　

圖1. 硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe₂材料合成示意圖

　　由于地殼中鈉的豐度較高及成本低等優勢，可充電鈉離子電池(NIBs)在儲能領域引起了廣泛關注，展現出替代鋰離子電池的巨大潛力。然而由于鈉離子更大的離子半徑，導致其電化學動力學過程更加緩慢，電極材料循環穩定性往往更差，因此，開發具有良好性能的電極材料以及深入研究鈉離子電池的儲鈉機理顯得十分必要。過渡金屬二硫族化合物（TMD）由于其低成本以及優越的物理化學性質被認為是理想的電極材料，其中方硒鈷礦型CoSe₂由于其晶體結構構成為兩個Se原子嵌入到Co的晶格結構中，這種結構對于快速鈉離子存儲具有十分關鍵的作用。基于此，課題組通過簡單的熱解和硒化方法成功制備出硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe₂納米材料 （圖1）。這種材料展現出超高容量，循環100次后，在電流密度100 mA g^?1時仍然具有580 mA h g^?1的高容量，同時具有超高的倍率性能和穩定性，在電流密度8A g^?1時循環4000圈后仍能維持98%的容量（圖2）。他們通過表征儲鈉的電化學過程以及電池循環后材料形貌的變化并結合理論計算分析，結果表明硼氮共摻雜的碳納米管和CoSe₂間的協同作用大大增強了鈉離子電池的容量和穩定性。

圖2. 電池循環后材料結構分析

　　該工作第一作者為工學院博士后HassinaTabassum，通訊作者為鄒如強。這項研究獲得國家自然科學基金杰出青年科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、國家青年拔尖人才支持計劃等項目資助。