焦麗芳教授課題組主要圍繞電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)中儲能材料結(jié)構(gòu)與儲能性能的構(gòu)效關(guān)系，重點研究氫、鋰、鈉、鎂在金屬基微納電極材料中傳輸?shù)臒崃W(xué)規(guī)律、擴散動力學(xué)和電化學(xué)極化現(xiàn)象等，研究納米電極材料的高結(jié)晶度成長機理，及其組成、微結(jié)構(gòu)、表面/界面性質(zhì)等對其儲能性能的影響規(guī)律。目前開展的研究方向為二次電池（包括：鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池等），以及納米電催化析氫的研究。在國家優(yōu)秀青年基金、國家自然科學(xué)基金、國家重點基金、國家973計劃等的資助下，獲得了一些創(chuàng)新性的成果。下面，我們簡要介紹焦麗芳教授課題組近年關(guān)于能源方面的部分重要研究成果，供大家交流學(xué)習(xí)。

 

1. AM 綜述：無粘結(jié)劑電極在鈉離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用　　南開大學(xué)焦麗芳課題組在國際著名期刊《Advanced Materials》上發(fā)表題目為“Binder-Free Electrodes for Advanced Sodium-Ion Batteries”的文章，在這項研究中，作者主要研究各種無粘結(jié)劑電極的制備方法，主要包括無模板法和模板輔助法。在無模板方法中，電紡絲和活性材料與碳基材料的結(jié)合是主要方法。模板輔助法需要各種基底，如金屬基底(Cu, Ti, Ni等)和碳質(zhì)基底(碳布, 碳紙, 碳納米纖纖等)來輔助無粘結(jié)電極的制作。無粘結(jié)劑電極不僅在電池領(lǐng)域具有優(yōu)勢，而且有望在催化領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢。將活性材料直接生長在集流器上設(shè)計出無粘結(jié)劑催化劑可以暴露更多活性位點從而提高催化活性。因此，作者堅信無粘結(jié)劑電極在儲能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201806304
2. AEM： 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)NASICON型Na4MnV(PO4)3正極材料的優(yōu)異儲鈉特性

　　中南大學(xué)張治安教授和南開大學(xué)焦麗芳教授課題組（共同通訊作者）在國際能源類頂級期刊Advanced Energy Materials上成功發(fā)表 “Rational Architecture Design Enables Superior Na Storage in Greener NASICON- Na₄MnV(PO₄)₃ Cathode”的論文。第一作者為碩士研究生李煌旭和金婷博士（共同第一作者）。論文設(shè)計了一種3D多孔石墨烯氣凝膠(GA)支撐原位碳包覆Na₄MnV(PO₄)₃顆粒的結(jié)構(gòu)，首先通過水熱和冷凍干燥工藝制備出GA作為碳基底，然后通過溶膠凝膠法在GA上生長原位碳包覆Na₄MnV(PO₄)₃顆粒（NMVP@C@GA）。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：1）Na₄MnV(PO₄)₃納米顆粒有效縮短了鈉離子的擴散距離；2）三維石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)極大提高了材料的電子電導(dǎo)率；3）柔韌的GA和原位碳包覆可以緩沖鈉離子嵌入脫出所造成的電極材料體積膨脹，從而提高材料循環(huán)穩(wěn)定性；（4）多孔結(jié)構(gòu)有利于改善電極/電解液的界面接觸，有利于活性物質(zhì)的充分利用?；诖耍琋MVP@C@GA表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鈉特性，0.5 C下能量密度可達~380 Wh/kg，20 C倍率下循環(huán)4000次，容量保持率為68.8%。此外，作者通過ex-situ XRD，ex-situ XPS，GITT，以及第一性原理計算對Na₄MnV(PO₄)₃的儲鈉機理進行系統(tǒng)研究和表征，為該材料今后的進一步優(yōu)化提供借鑒。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.201801418

 

3. Nano Energy：柔性V₂O₃復(fù)合多孔碳納米纖維基于嵌入贗電容機制的高倍率和超穩(wěn)定儲鉀3. Nano Energy：柔性V₂O₃復(fù)合多孔碳納米纖維基于嵌入贗電容機制的高倍率和超穩(wěn)定儲鉀

　　南開大學(xué)陳軍院士團隊，焦麗芳教授（通訊作者）課題組在國際能源頂級期刊 Nano Energy 上發(fā)表了題為 “Intercalation pseudocapacitance in flexible and self-standing V₂O₃ porous nanofibers for high-rate and ultra-stable K ion storage”的文章。文章第一作者為金婷博士。研究人員通過靜電紡絲法制備了V₂O₃嵌于一維多孔氮摻雜納米纖維（V₂O₃@PNCNFs）的柔性自支撐電極。多孔納米纖維可以減少K⁺的傳輸距離，提高導(dǎo)電性并增加活性物質(zhì)和電解液的接觸面積。自支撐電極可以確保電極的完整性并提高電池的重量能量密度。結(jié)果表明，V₂O₃的儲鉀機制主要為嵌入贗電容效應(yīng)，理論上只有1mol的K⁺可以嵌入到V₂O₃晶體中，與傳統(tǒng)過渡金屬氧化物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)不同，在嵌入贗電容過程中，K⁺在V₂O₃的隧道中脫嵌，伴隨法拉第電荷轉(zhuǎn)移無相轉(zhuǎn)變發(fā)生，使得在電化學(xué)反應(yīng)中保持了超穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這在PIB中首次報道。測試結(jié)果表明，V₂O₃@PNCNFs在50 mA g^-1電流密度下表現(xiàn)出240 mA h g^-1的可逆容量，500次循環(huán)后容量保持率可達95.8％。當(dāng)電流密度增加到1000 mA g^-1時，仍可獲得134 mA h g^-1的可逆容量。這項工作為進一步開發(fā)用于快速穩(wěn)定儲能的贗電容納米材料提供了研究思路。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.056

 

4. Nano Lett.：靜電紡絲制備大通道多孔CuCo₂O₄@C納米管用于鋅空電池

　　南開大學(xué)焦麗芳課題組在國際頂級期刊Nano Letters上發(fā)表題目為“Electrospun Thin-Walled CuCo₂O₄@C Nanotubes as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn–Air Batteries”的文章，該研究利用同軸靜電紡絲技術(shù)，基于不同分子量的聚丙烯氰在高溫下熱分解速度和程度的差異，成功制備出薄壁大通道多孔狀CuCo₂O₄@C納米管(CCO@C)復(fù)合材料，并深入探究了其在可充電鋅-空氣電池中的應(yīng)用潛力。這一工作為靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建大通道多孔狀碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)金屬氧化物在氧還原/氧析出催化性能上的進一步提升提供了很好的借鑒意義。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04502

 

5. Energy storage materials：靜電紡絲與“局部磷化”制備Co/CoP@氮摻雜碳納米纖維用于HER

　　南開大學(xué)焦麗芳課題組采用靜電紡絲技術(shù)制備了Co/CoP@NC納米纖維并將其作為寬pH范圍的析氫催化劑，此研究成果以“Electrospun three dimensional Co/CoP@nitrogen-doped carbon nanofibers network for efficient hydrogen evolution”為題目發(fā)表在Energy storage materials上。由于碳基質(zhì)的存在，部分靠近孔及邊緣等“不穩(wěn)定”鈷納米粒子在磷化時可形成磷化鈷，而被碳包覆密實的鈷納米粒子則無法被磷化，使得在碳基質(zhì)中鈷與磷化鈷兩相并存。文中主要考察了紡絲液中鈷源前驅(qū)物的配比，氬氣碳化溫度，磷化時磷源含量，以及磷化時間等條件，對其形貌結(jié)構(gòu)與電催化析氫性能的影響。該一維的納米結(jié)構(gòu)對于電催化析氫反應(yīng)主要具有以下優(yōu)勢：雙相的鈷，磷化鈷納米粒子間的協(xié)同作用促進了析氫反應(yīng)動力學(xué)；一維多孔氮摻雜碳納米纖維可以相互交錯形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促進了電子傳遞與氣液快速擴散；一維多孔結(jié)構(gòu)提高了電化學(xué)活性比表面積及豐富的表面化學(xué)反應(yīng)位點；碳基質(zhì)提升了材料的穩(wěn)定性，并抑制了納米粒子在煅燒過程中的團聚。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/ j.ensm.2017.11.006

6. Small: 從一維納米材料的設(shè)計合成到鈉離子電池領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　一維納米材料具有定向的電子離子傳導(dǎo)方向，強大的應(yīng)力承受能力以及短的軸向電子離子傳輸路徑，被認(rèn)為是十分高效穩(wěn)定的鈉離子電池電極材料。南開大學(xué)焦麗芳課題組以“1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries”為題在Small上發(fā)表了綜述文章。文章總結(jié)了一維材料的性質(zhì)，常見合成方法，以及在鈉離子電池中的應(yīng)用，討論了一維納米材料合成方法中的一些瓶頸與難點，并展望了其在能源儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.201703086

7. Energy Storage Materials: 室溫下制備δ-MnO2包覆的S正極

　　南開大學(xué)焦麗芳老師課題組在 Energy Storage Materials期刊上發(fā)表了題目為“Encapsulating sulfur in δ-MnO₂ at room temperature for Li-S battery cathode”的文章，報道了一種室溫下10分鐘內(nèi)將S正極包裹在δ-MnO₂殼中的新方法，論文第一作者是曹康哲博士。他們首先將S可控的包覆一層聚多巴胺（PDA），以其為還原劑將KMnO₄還原為δ-MnO₂。該方法簡便、快捷，能耗低。更為重要的是，由于PDA能夠可控的粘附到眾多材料表面，采用該方法可以構(gòu)筑大量錳基功能材料，展現(xiàn)出較為廣泛的應(yīng)用空間。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012　　南開大學(xué)焦麗芳老師課題組在 Energy Storage Materials期刊上發(fā)表了題目為“Encapsulating sulfur in δ-MnO₂ at room temperature for Li-S battery cathode”的文章，報道了一種室溫下10分鐘內(nèi)將S正極包裹在δ-MnO₂殼中的新方法，論文第一作者是曹康哲博士。他們首先將S可控的包覆一層聚多巴胺（PDA），以其為還原劑將KMnO₄還原為δ-MnO₂。該方法簡便、快捷，能耗低。更為重要的是，由于PDA能夠可控的粘附到眾多材料表面，采用該方法可以構(gòu)筑大量錳基功能材料，展現(xiàn)出較為廣泛的應(yīng)用空間。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.06.012

作者：易絲幫來源：http://www.espun.cn/news/detail-733.html