Small综述:多层中空过渡金属化合物的制备及其储能应用

随着化石燃料的损耗和不可生资源的枯竭,高效清洁能源的研究与发展是当今社会的热门话题。多层纳米结构因其低密度、大比表面积、复杂的内部结构和结构稳定性等特点,在能源存储领域有着广泛的应用前景。近期,大连理工大学贺高红教授团队结合自身在多层金属材料的制备与储能领域应用的研究进展及该领域的研究现状,应邀在Wiley旗下刊物Small撰写题为“Multishelled Transition Metal-Based Microspheres: Synthesis and Applications for Batteries and Supercapacitors”综述性文章。该综述文章归纳概述了多层过渡金属化合物微球的制备方法及其在电池和超级电容器的储能领域的应用,并对其研究前景进行了展望。

图1. 多层中空微球的制备及其在能源领域的应用

大量研究对多层过渡金属化合物材料结构和组成进行设计及优化,以提升其储能应用的电化学性能,满足人们日益增长的能源需求。多层空心结构能够提供充足的接触面积和活性位点、缩短了电子/离子的传输路径、减缓了体积膨胀、增加了结构的稳定性。该文章从制备过程是否需要引入外界模板的角度出发,将常见的多层过渡金属化合物微球的制备分为模板法和非模板法。模板法操作简单、普适性高,易实现对多层过渡金属化合物微球结构和组成的调控,但模板的引入造成资源浪费。而非模板法以目标材料或前驱物代替传统模板,其制备过程所涉及的柯肯特尔效应,奥斯汀熟化过程及离子交换机理等对反应物有一定的针对性,无法满足对所需材料组成及比例的自由调控。

图2. 硬模板法制备多壳层中空多金属氧化物。(a) 多壳层氧化镍钴的制备过程;(b-i) 不同组成比例及结构的氧化镍钴多壳层微球的透射电镜图;(j-l) 镍、钴掺杂氧化铁多壳层微球的扫描电镜图;(m) 多层NiCo掺杂氧化铁微球的XRD 测试。

此外,作者还介绍了该团队在硬模板法制备多层中空结构过渡金属氧化物的研究,提出以2, 4-二羟基苯甲酸为前驱物代替传统的间苯二酚,制备的树脂微球含有大量羧基\羟基官能团,显著提升了对金属离子的吸附能力,减少前驱液的使用;同时通过树脂微球内离子的序列吸附和比例调控,实现对多层过渡金属化合物微球结构和组成的合理设计。最后,作者还对多层金属化合物微球制备过程中丞待解决的问题和改进方向阐述了自己的意见。希望这篇综述能够为对多层纳米结构及储能领域感兴趣的研究学者起到一定的借鉴作用。 相关文章在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201804737)上。