2019年上半年理学院黄英教授指导的研究生创新团队取得系列高水平科研成果

2019年07月02日 16:24  


年度过半,黄英教授带领的研究生创新团队在辛勤耕耘中喜获成果。在国家自然科学基金,校博士论文创新基金等的大力支持下,依托我校分析测试中心和理学院应用化学系大型仪器共享平台,IGAFM团队在英国皇家化学学会旗下《Journal of Materials Chemistry A》IF = 10.733和爱思唯尔旗下《Chemical Engineering Journal》IF = 8.355、《Carbon》IF = 7.466、《Journalof Membrane Science》IF = 7.015、《Electrochimica Acta》IF = 5.383等化学材料类一区TOP期刊连续发表SCI论文9篇。

课题组博士生、硕士生围绕能源化学工程相关科学问题,结合航空航天领域发展需求,以材料性能为导向,通过难题攻关,连续奋战,在电磁波吸收、超级电容器、锂/钠离子电池、燃料电池、锂硫电池和固态电解质等方向取得系列优秀研究成果。

(1)设计了轻质宽频微波吸收剂“内嵌CoNi合金纳米颗粒的三维N掺杂多孔碳泡沫”

电磁波吸收材料是解决电磁干扰和电磁防护的有效解决措施之一,同时高性能电磁波吸收材料在军事隐身技术和提高武器作战效能等方面也具有举足轻重的作用,因此高性能电磁波吸收材料的研究成为当前热点问题之一。近日,理学院功能材料团队黄英教授课题组针对电磁波吸收材料存在的问题,基于阻抗匹配,制备了磁性钴镍合金颗粒嵌入的3D氮掺杂多孔碳泡沫,该材料采用三聚氰胺泡沫作为模板,酚醛树脂作为碳源,硝酸钴以及硝酸镍作为合金前体,在没有添加任何活性剂的情况下,制得了表面有大量蜂窝状孔的碳骨架。该材料具有好的电磁波吸收性能,吸收频宽可以同时覆盖到Ku波段和X波段。材料优异的微波吸收性能归因于3D导电泡沫结构引起的多次散射,大的衰减以及介电损耗和磁损耗之间的阻抗匹配。另外,这种方法为各种多孔碳-磁金属复合材料的大规模合成开辟了道路,是高性能微波吸收器的候选者。研究结果发表于Carbon(IF = 7.466,一区,TOP期刊,第一作者为博士研究生闫婧。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.06.064

(2)发现了Mn3O4@NiCo2O4@NiO分层异质结构简易制备方法,并用于高性能超级电容器

近年来,对于具有高能量密度的超级电容器的研究已经成为热点。采用混合过渡金属基氧化物作为电极材料是提高超级电容器能量密度的关键因素之一。然而,如何对多元混合过渡金属基氧化物的结构和组成进行合理设计一直是当前众多研究人员难以攻克的关卡。近期,功能材料研究创新团队(IGAFM)采用简易的一步水热法和高温烧结制备了一种新型的三元复合材料—康乃馨状的Mn3O4@NiCo2O4@NiO分层异质结构。得益于康乃馨状的Mn3O4@NiCo2O4@NiO分层异质结构的独特形貌和优异的性质,最终制备的Mn3O4@NiCo2O4@NiO电极在电流密度为1 A·g-1下拥有1905 F·g-1的比电容,在10000次循环之后,92%的初始电容被保留。此外,以Mn3O4@NiCo2O4@NiO分层异质结构为正极和活性炭为负极组装的非对称性超级电容器实现了优异的能量密度(功率密度为800 W·kg-1时,能量密度为76.8 Wh·kg-1),证明了康乃馨状的Mn3O4@NiCo2O4@NiO分层异质结构是一种具有广泛应用前景的超级电容器电极材料。此外,这项工作对于多元过渡金属氧化物的结构和组成的合理设计和简易制备提供了重要的参考依据。研究结果发表于《Electrochimica Acta》(IF = 5.383,一区,TOP期刊),第一作者为博士研究生冯玄圣。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.04.048

此外,还研制出一种新型多孔NiCo2O4/NiO/Co3O4纳米花复合材料应用于非对称全固态超级电容器,此研究结果成功发表于《Chemical Engineering Journal》(IF = 8.355,一区,TOP期刊),第一作者为博士研究生冯玄圣。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.191

(3)利用原位透射电子显微学揭示了钠离子电池硬碳负极的储钠机制

具有资源优势的钠离子电池已成为大规模储能体系的研究热点,而硬碳材料作为最有希望应用于实用钠离子电池的负极材料受到了广泛的关注。然而,由于硬碳材料结构复杂,使得目前对于硬碳储钠机制仍存在不同的认识。课题组成员王科博士与美国西北大学纳微材料研究中心主任吴劲松教授、徐耀斌博士合作,通过热解生物质材料香枫球,设计合成了一系列具有不同微观结构的硬碳材料,并利用in-situTEM和ex-situTEM测试手段观测硬碳材料在储钠过程中的结构变化。结果表明,硬碳材料不仅可在缺陷处实现对Na+的吸附,同时内部石墨微晶结构也可实现Na+的插层反应。除此之外,还发现硬碳材料在储钠过程,前期未出现明显的体积变化,直至充钠6 min后材料体积急剧膨胀。据此分析,前期储钠方式极有可能是材料表面缺陷处对Na+的吸附反应,而后半部分则是Na+在硬碳材料中的石墨微晶中插层反应。因此得出结论,硬碳材料的储钠机制属于“吸附-插层”机理。此项工作发表在Journal of Materials Chemistry A》(IF = 10.733,区,TOP期刊),第一作者为博士研究生王科。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta11510a

(4)研制了高性能全固态锂电池用“聚环氧乙烷/2,4-甲苯二异氰酸酯/聚乙二醇聚合物电解质”

常规锂电池采用有机液体作为电解质,具有潜在的泄漏或火灾等安全性问题。为了解决这些问题,全固态锂电池被认为是下一代高能电池。而聚合物电解质由于其柔韧性和电化学稳定性而被认为是最具商业价值的固体电解质。因此,功能材料团队制备了基于聚环氧乙烷(PEO)和无定形共聚物2,4-甲苯二异氰酸酯/聚乙二醇(TDI/PEG)的固体聚合物电解质(SPE)。TDI/PEG的添加抑制了PEO基体结晶,有利于锂离子的迁移,增加了锂离子电导率。其中,具有TDI/PEG含量为20%时性能最佳,电化学窗口宽达至5V,在60 ℃下的电导率为0.17 mS·cm-1。同时,这种SPE在300 ℃一下表现了出色的热稳定性。同时,以三维石墨烯泡沫改性LiFePO4为正极材料,锂金属为负极,组装了固态GLFP/PTP 20%/Li电池,初始放电比容量可达141.3 mAh·g-1,并且具有稳健的恒电流循环性能,100次循环后容量损失很小。因此,PEO-TDI-PEG薄膜在高性能固态锂电池领域具有广阔的应用前景。研究结果成功发表于Journal of Membrane Science(IF = 7.015,区,TOP期刊),第一作者为博士研究生李超。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117179

(5)研制了增强燃料电池酸性介质中氧还原反应的新型多孔六边形次碳酸铋/氮掺杂石墨烯

燃料电池(Fuel Cell)因其高效、清洁和能量转化率高等特点,受到各国政府、开发商和研究机构的普遍重视。然而,阴极氧还原反应动力学反应缓慢和可逆性差等问题,一直限制着燃料电池的商业化生产和应用。近期,功能材料团队(IGAFM)研制出一种新型多孔六边形次碳酸铋和氮掺杂石墨烯纳米复合材料作为燃料电池阴极氧还原催化剂。该材料是由[Bi2O2]2+,CO32-正负离子层正交重叠共生和氮掺杂的石墨烯片层结构包覆所形成的多级孔径结构材料,具有比表面积大,孔径结构宽(微孔、介孔和大孔),氧还原反应的催化活性位点多以及有效的电子、离子和分子的分离与传输等性能,能有效提高氧还反应的动力学速率。在0.1 M HClO4酸性电解液中,起始电位为1.179 V,极限电流密度达到7.38 mA·cm-2。经18000 s稳定性测试,其极化电流密度仍能保持原来的98.58%。且具有小的电极阻抗和良好的抗甲醇腐蚀性能。实验结果表明,新型多孔六边形次碳酸铋和氮掺杂石墨烯纳米复合材料是一种很有前景的燃料电池阴极氧还原催化剂,用于提高氧还原反应动力学速率和解决燃料电池贵金属催化剂的价格昂贵,稳定性差和耐甲醇性差等问题。此项研究已发表于《Carbon》IF = 7.466,一区,TOP期刊第一作者为博士研究生秦秀兰。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.06.028

此外,还研制出一种新型多孔Ti-MOFs氮掺杂石墨烯纳米材料作为燃料电池氧还原催化剂,研究结果成功发表于《Electrochimica Acta》(2018 IF = 5.383,区,TOP期刊,第一作者为博士研究生秦秀兰。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.12.045

(6)新颖的蛋黄-壳型Ti3+掺杂TiO2包覆Mn3O4纳米棒的设计

锂离子电池由于其能量密度高等优势而在商业化方面获得了极大的认可。然而,它们仍然受到容量衰减和寿命短的限制。在该项工作中,我们设计了具有中空和通道结构的蛋黄-壳型Ti3+掺杂TiO2包覆Mn3O4纳米棒负极材料,作为锂离子电池负极,其具有较长的循环寿命和持续增长的可逆容量。在该结构中,Ti3+掺杂的TiO2壳与Mn3O4纳米棒之间的强相互作用,不仅可以使负极材料适应由于脱嵌锂所产生的体积膨胀效应,还可以为锂离子/电子提供更多的传输通道,有效提高固体电解质界面膜的稳定性,并通过协同效应改善反应动力学。这种独特的结构有助于实现较高的可逆容量,优异的循环稳定性和优越的倍率性能。经电化学测试,经过400次充放电循环后,该电极仍具有优异的可逆容量1487.9 mAh·g-1和容量保持率为81.67%。该负极材料在锂离子电池中的应用具有广阔的前景。研究结果发表于Chemical Engineering Journal》(IF = 8.,一区,,第一作者为博士研究生王明月。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.023

(7)抑制多硫化物穿梭的内嵌Ni2P纳米球的三维磷(P)掺杂碳骨架效屏障

多硫化物(LiPSs)溶解、扩散及穿梭效应极大地限制了锂硫电池的应用。目前针对该问题的解决方案主要集中在设计具有协同吸附作用的正极、隔层材料上,但强化学吸附仍会导致活性物质失活。相反,在连续导电网络中同时引入强化学吸附极性位点和催化活性位点,可以有效解决LiPSs的穿梭并实现其快速动力学转化,从而提高硫的利用率与电化学性能。鉴于此,功能材料研究创新团队(IGAFM)研发了一种内嵌Ni2P纳米球的三维磷(P)掺杂碳骨架(PCCNT@NPS),并将其应用于锂硫电池隔膜改性层。基于PCCNT@NPS改性隔膜的锂硫电池在大倍率(1 C, 1675 mA·g-1)下显示出高初始容量(1067 mAh·g-1)和低容量衰减率(每圈容量衰减0.077%,500次循环)。该优异性能得益于含磷基团的极性吸附作用与Ni2P的电化学催化。本项工作揭示了一种利用材料自然特性去适应性改进,制备隔膜改性材料的方法和思路。研究结果发表于Electrochimica Acta》(区,,第一作者为硕士研究生光昭旭。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.03.190

文字:光昭旭

图片:光昭旭 闫

排版:光昭旭 丁凌

审核:黄英


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