超薄納米片誘導法制備三維網絡狀介孔金屬氧化物

　　過渡金屬氧化物（TMOs）因具有較高的理論容量成為極具潛力的鋰離子電池（LIB）負極材料。然而，TMOs在離子嵌入過程中會發生巨大的體積變化，而且離子傳輸/電子傳導的效率較差，因此在實際應用中體系材料的循環性能和倍率性能欠佳。為了改善TMOs作為LIB負極的性能，研究人員開發了多種納米結構，例如納米管、納米片和空心球等。在不同結構中，三維結構有利于緩解體積應力并提升電子傳導。此外，大表面積和豐富孔結構的設計也可以改善離子的傳輸效率。

　　最近，天津大學趙乃勤教授課題組采用超薄納米片誘導合成的方法成功制備出三維網絡狀介孔氧化鈷（3D-MN Co3O4）。他們在制備過程中使用三維摻雜碳網絡（N-CN）納米片為模板，吸附金屬離子后進行空氣煅燒將N-CN模板移除，從而得到三維網絡狀的氧化鈷（圖1）。

圖1. 3D-MN Co3O4制備模式圖

圖2. 3D-MN Co3O4微觀結構及成分分布

　　首先，他們通過NaCl模板制備得到3D N-CN。SEM圖像（圖2a）顯示3D N-CN由超薄納米片（厚度小于10 nm）組成。隨后，他們將3D N-CN浸入2 mol?L-1的Co(NO3)2溶液中。N-CN良好的親水性保證其均勻分散在溶液中。3D N-CN吸附Co離子后，經過濾、干燥，并在空氣中500 ℃條件下煅燒，可以除去碳模板得到3D-MN Co3O4。由圖2b和2c可以看出，3D-MN Co3O4呈三維連通特征，且碳基體的移除可獲得豐富的介孔結構。由圖2d亦可看出，該三維網絡是由尺寸在5-10 nm的小顆粒組成，這一納米尺寸有利于鋰離子的嵌入與脫出。

圖3. 3D-MN Co3O4作為LIB負極材料的性能表現

　　作為LIB的負極材料，3D-MN Co3O4在0.2 A?g-1的電流密度下表現出優異的鋰存儲能力（圖3）。初始放電和充電比容量分別為800和545 m?h?g-1。經歷初始20個循環的衰退后，儲鋰性能被激活，在經過200次循環后，放電和充電比容量分別增加到957和924 m?h?g-1，實現了170％的容量保持率。更為重要的是，該方法被證實同樣可應用于其他TMO材料的制備，包括Fe2O3、ZnO、Mn3O4、NiCo2O4和FeCoO2。

　　納米片誘導法制備三維Co3O4介孔網絡作為高性能的鋰離子電池負極材料具有三個突出的優點：（1）高比表面積改善電極/電解質的界面，并提供有效的電荷輸送路徑；（2）豐富的介孔不僅提高了質量運輸效率，而且減輕了體積膨脹；（3）納米顆粒促進了鋰離子的擴散。同時，該方法也為其他金屬氧化物的制備提供了新的思路。這一成果近期發表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是天津大學的博士研究生朱杉。