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南开大学焦丽芳教授在静电纺能源领域研究成果汇总



焦丽芳教授课题组主要围绕电化学能量转换与存储技术中储能材料结构与储能性能的构效关系,重点研究氢、锂、钠、镁在金属基微纳电极材料中传输的热力学规律、扩散动力学和电化学极化现象等,研究纳米电极材料的高结晶度成长机理,及其组成、微结构、表面/界面性质等对其储能性能的影响规律。目前开展的研究方向为二次电池(包括:锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池等),以及纳米电催化析氢的研究。在国家优秀青年基金、国家自然科学基金、国家重点基金、国家973计划等的资助下,获得了一些创新性的成果。下面,我们简要介绍焦丽芳教授课题组近年关于能源方面的部分重要研究成果,供大家交流学习。

 

1. AM 综述:无粘结剂电极在钠离子电池领域的应用  南开大学焦丽芳课题组在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表题目为“Binder-Free Electrodes for Advanced Sodium-Ion Batteries”的文章,在这项研究中,作者主要研究各种无粘结剂电极的制备方法,主要包括无模板法和模板辅助法。在无模板方法中,电纺丝和活性材料与碳基材料的结合是主要方法。模板辅助法需要各种基底,如金属基底(Cu, Ti, Ni等)和碳质基底(碳布, 碳纸, 碳纳米纤纤等)来辅助无粘结电极的制作。无粘结剂电极不仅在电池领域具有优势,而且有望在催化领域发挥其优势。将活性材料直接生长在集流器上设计出无粘结剂催化剂可以暴露更多活性位点从而提高催化活性。因此,作者坚信无粘结剂电极在储能转化领域有着广阔的应用前景。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201806304
2. AEM: 优化结构设计实现NASICON型Na4MnV(PO4)3正极材料的优异储钠特性

  中南大学张治安教授和南开大学焦丽芳教授课题组(共同通讯作者)在国际能源类顶级期刊Advanced Energy Materials上成功发表 “Rational Architecture Design Enables Superior Na Storage in Greener NASICON- Na4MnV(PO4)Cathode”的论文。第一作者为硕士研究生李煌旭和金婷博士(共同第一作者)。论文设计了一种3D多孔石墨烯气凝胶(GA)支撑原位碳包覆Na4MnV(PO4)3颗粒的结构,首先通过水热和冷冻干燥工艺制备出GA作为碳基底,然后通过溶胶凝胶法在GA上生长原位碳包覆Na4MnV(PO4)3颗粒(NMVP@C@GA)。该结构具有以下优势:1)Na4MnV(PO4)3纳米颗粒有效缩短了钠离子的扩散距离;2)三维石墨烯导电网络极大提高了材料的电子电导率;3)柔韧的GA和原位碳包覆可以缓冲钠离子嵌入脱出所造成的电极材料体积膨胀,从而提高材料循环稳定性;(4)多孔结构有利于改善电极/电解液的界面接触,有利于活性物质的充分利用。基于此,NMVP@C@GA表现出优异的储钠特性,0.5 C下能量密度可达~380 Wh/kg,20 C倍率下循环4000次,容量保持率为68.8%。此外,作者通过ex-situ XRD,ex-situ XPS,GITT,以及第一性原理计算对Na4MnV(PO4)3的储钠机理进行系统研究和表征,为该材料今后的进一步优化提供借鉴。

论文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.201801418

 

3. Nano Energy:柔性V2O3复合多孔碳纳米纤维基于嵌入赝电容机制的高倍率和超稳定储钾3. Nano Energy:柔性V2O3复合多孔碳纳米纤维基于嵌入赝电容机制的高倍率和超稳定储钾

  南开大学陈军院士团队,焦丽芳教授(通讯作者)课题组在国际能源顶级期刊 Nano Energy 上发表了题为 “Intercalation pseudocapacitance in flexible and self-standing V2O3 porous nanofibers for high-rate and ultra-stable K ion storage”的文章。文章第一作者为金婷博士。研究人员通过静电纺丝法制备了V2O3嵌于一维多孔氮掺杂纳米纤维(V2O3@PNCNFs)的柔性自支撑电极。多孔纳米纤维可以减少K+的传输距离,提高导电性并增加活性物质和电解液的接触面积。自支撑电极可以确保电极的完整性并提高电池的重量能量密度。结果表明,V2O3的储钾机制主要为嵌入赝电容效应,理论上只有1mol的K+可以嵌入到V2O3晶体中,与传统过渡金属氧化物的转化反应不同,在嵌入赝电容过程中,K+在V2O3的隧道中脱嵌,伴随法拉第电荷转移无相转变发生,使得在电化学反应中保持了超稳定的结构,这在PIB中首次报道。测试结果表明,V2O3@PNCNFs在50 mA g-1电流密度下表现出240 mA h g-1的可逆容量,500次循环后容量保持率可达95.8%。当电流密度增加到1000 mA g-1时,仍可获得134 mA h g-1的可逆容量。这项工作为进一步开发用于快速稳定储能的赝电容纳米材料提供了研究思路。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.056

 

4. Nano Lett.:静电纺丝制备大通道多孔CuCo2O4@C纳米管用于锌空电池

  南开大学焦丽芳课题组在国际顶级期刊Nano Letters上发表题目为“Electrospun Thin-Walled CuCo2O4@C Nanotubes as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn–Air Batteries”的文章,该研究利用同轴静电纺丝技术,基于不同分子量的聚丙烯氰在高温下热分解速度和程度的差异,成功制备出薄壁大通道多孔状CuCo2O4@C纳米管(CCO@C)复合材料,并深入探究了其在可充电锌-空气电池中的应用潜力。这一工作为静电纺丝技术构建大通道多孔状碳纳米管复合结构,实现金属氧化物在氧还原/氧析出催化性能上的进一步提升提供了很好的借鉴意义。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04502

 

5. Energy storage materials:静电纺丝与“局部磷化”制备Co/CoP@氮掺杂碳纳米纤维用于HER

  南开大学焦丽芳课题组采用静电纺丝技术制备了Co/CoP@NC纳米纤维并将其作为宽pH范围的析氢催化剂,此研究成果以“Electrospun three dimensional Co/CoP@nitrogen-doped carbon nanofibers network for efficient hydrogen evolution”为题目发表在Energy storage materials上。由于碳基质的存在,部分靠近孔及边缘等“不稳定”钴纳米粒子在磷化时可形成磷化钴,而被碳包覆密实的钴纳米粒子则无法被磷化,使得在碳基质中钴与磷化钴两相并存。文中主要考察了纺丝液中钴源前驱物的配比,氩气碳化温度,磷化时磷源含量,以及磷化时间等条件,对其形貌结构与电催化析氢性能的影响。该一维的纳米结构对于电催化析氢反应主要具有以下优势:双相的钴,磷化钴纳米粒子间的协同作用促进了析氢反应动力学;一维多孔氮掺杂碳纳米纤维可以相互交错形成三维导电网络,促进了电子传递与气液快速扩散;一维多孔结构提高了电化学活性比表面积及丰富的表面化学反应位点;碳基质提升了材料的稳定性,并抑制了纳米粒子在煅烧过程中的团聚。

论文链接:https://doi.org/10.1016/ j.ensm.2017.11.006

6. Small: 从一维纳米材料的设计合成到钠离子电池领域中的应用

  一维纳米材料具有定向的电子离子传导方向,强大的应力承受能力以及短的轴向电子离子传输路径,被认为是十分高效稳定的钠离子电池电极材料。南开大学焦丽芳课题组以“1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries”为题在Small上发表了综述文章。文章总结了一维材料的性质,常见合成方法,以及在钠离子电池中的应用,讨论了一维纳米材料合成方法中的一些瓶颈与难点,并展望了其在能源储存与转化领域的应用前景。

论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.201703086

7. Energy Storage Materials: 室温下制备δ-MnO2包覆的S正极

  南开大学焦丽芳老师课题组在 Energy Storage Materials期刊上发表了题目为“Encapsulating sulfur in δ-MnO2 at room temperature for Li-S battery cathode”的文章,报道了一种室温下10分钟内将S正极包裹在δ-MnO2壳中的新方法,论文第一作者是曹康哲博士。他们首先将S可控的包覆一层聚多巴胺(PDA),以其为还原剂将KMnO4还原为δ-MnO2。该方法简便、快捷,能耗低。更为重要的是,由于PDA能够可控的粘附到众多材料表面,采用该方法可以构筑大量锰基功能材料,展现出较为广泛的应用空间。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012  南开大学焦丽芳老师课题组在 Energy Storage Materials期刊上发表了题目为“Encapsulating sulfur in δ-MnO2 at room temperature for Li-S battery cathode”的文章,报道了一种室温下10分钟内将S正极包裹在δ-MnO2壳中的新方法,论文第一作者是曹康哲博士。他们首先将S可控的包覆一层聚多巴胺(PDA),以其为还原剂将KMnO4还原为δ-MnO2。该方法简便、快捷,能耗低。更为重要的是,由于PDA能够可控的粘附到众多材料表面,采用该方法可以构筑大量锰基功能材料,展现出较为广泛的应用空间。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012
来源
:易丝帮   http://www.espun.cn/news/detail-733.html

 


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