化学与材料科学学院胡勇教授课题组在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上发表学术成果
日期: 2023-01-25 作者: 供稿单位: 化学与材料科学学院

近日,浙师大化学与材料科学学院胡勇教授课题组与挪威东南大学黄昊副教授合作国际顶级学术期刊Adv. Funct. Mater.上在线发表研究论文Discriminating Active B−N Sites in Coralloidal B, N Dual-Doped Carbon Nano-Bundles for Boosted Zn-Ion Storage Capability。该刊物是目前国际材料科学领域最具影响力的综合性刊物之一,为中科院分区一区期刊,最新影响因子为19.924。浙师大化学与材料科学学院2020级硕士生陈兴华为论文的第一作者,胡勇教授、浙师大化学与材料科学学院校聘副教授王海燕与黄昊副教授为共同通讯作者,浙师大为第一通讯单位


锌离子混合超级电容器兼容了锌离子电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优势,被认为是下一代极具发展前景的储能器件之一。但受到碳正极吸附能力和反应动力学的限制,目前锌离子混合超级电容器的能量密度和功率密度仍有待提高。杂原子掺杂能容易地改变碳材料的表面化学性质,调节碳平面的电子分布,已被公认为一种提高碳材料储能性能的有效策略。与单掺杂相比,双掺杂的协同效应使得其展现出优异的性能,特别是缺电子B (c=2.04)和富电子N (c=3.04)共掺杂的碳材料在锌离子混合超级电容器中受到广泛关注。


尽管目前在BNC材料的合成方面取得了一定的进展,但关于BNC锌离子存储的增强机理,特别是掺杂类型和位置对电化学性能影响的基础研究仍很少,对BNC材料活性位点还没有达成共识。一般认为,BNC体系中的B物种包括四种,即BC3、BCO2、BC2OB−N。一些研究认为,B-N键会导致碳体系惰性,因此最好在碳框架中应掺杂单一位点的BN,避免形成B-N键。然而,理论计算表明,与B−CC−N键相比,B−N键更容易形成。最近的研究表明,B−N键可以促进电子导电性和电荷转移,可能有利于电化学性能。但至今尚未形成共识。因此,如何深入阐明BN双掺杂的增强机制,并准确地鉴别BNC材料的活性位点仍面临巨大的挑战。

 


胡勇课题组成员与黄昊副教授合作结合理论和实验对BNC体系进行了系统的研究,并合理设计了一系列珊瑚状B, N双掺杂碳(BNC)纳米束来解决上述难题。理论计算表明,与单掺杂(BN)和其他双掺杂样品(不同BN位点)相比,B-N键不仅提高了锌离子的吸附能力,还增强了材料的导电性,有效促进了锌离子的存储。实验结果有力地支持了理论计算,表明BN键可以提高BNC的锌离子存储容量,促进电荷转移和锌离子扩散动力学,从而获得良好的储能性能。得益于此,构筑的富含B-N键的珊瑚状B, N双掺杂BNC纳米束显示出优异的电化学性能:在0.2 A g-1时的比容量为204 mAh g-1,以及40,000次的长循环稳定性。该性能优于大多数的碳正极。此外,基于BNC组装的BNC//Zn器件展现出178.7 Wh kg-1的高能量密度和17.5 kW kg-1的高功率密度。这项工作不但对高性能碳材料的研发具有指导性意义,而且加深了对双掺杂碳电极调控机制的基本理解。


该课题组自2020年开展锌离子电池领域的相关研究以来已取得一系列进展,相关成果分别发表在:Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Chem. Eng. J.、 Appl. Surf. Sci.等材料、化学领域国际重要期刊上。相关研究成果得到了国家自然科学基金面上项目,浙江省自然科学基金重大项目、重点项目的资助。


编辑:赵菡婧


最新消息
点击排行
返回原图
/