Small Structures: Bi/TiO2异质结构量子点嵌入氮掺杂碳纳米片增加储钠性能

钠离子电池(SIBs)因钠资源丰富且分布广泛,是一种极具发展前景的低成本、大规模储能系统。目前,虽然人们已经探索了一系列的负极材料,但寻找适合的材料来满足储能系统的要求仍然是一个巨大的挑战。因此,可控合成和合理设计具有优越循环稳定性和高倍率性能的钠离子电池负极材料是科研工作者亟待解决的一大关键问题。

铋(Bi)作为一类迷人的合金类电极材料,因其较低的操作电压(~0.6V)及较高的理论比容量(385 mAh g−1)引起了人们的广泛关注。然而,该材料在合金化过程中(Bi⟶ Na3Bi)巨大的体积变化(~244%),导致该材料应用在钠离子电池中时并不能达到令人满意的电化学性能。为了弥补铋金属的这一不足,人们采取了一系列的策略来改善铋基材料。TiO2因其具有良好的长循环性能及较小的晶格应变能力(<4%)而被认为是最有前途的钠离子电池的负极材料之一。然而,TiO2基负极材料的倍率性能和可逆容量还有待进一步提高。考虑到TiO2稳定的循环性能与金属Bi的高理论容量具有互补特性,合理设计具有明确界面结构的Bi和TiO2异质结构是提高钠离子电池电化学性能的有效途径。

近日,山东大学化学与化工学院熊胜林教授课题组采用一步“自模板-原位重结晶-自组装”方法设计了嵌入在氮掺杂多孔碳二维纳米薄片中的铋/二氧化钛异质结构量子点(记为Bi/TiO2 HQDs⊂NC)。该合成策略大大简化了合成步骤,因为它不需要繁琐的过程,包括通过多步反应或使用其他有机溶剂的碳、氮、钛和铋源。这种新颖独特的0D∩2D多维结构鲜有报道,多孔碳纳米片和超细量子尺度的Bi/TiO2异质结构大大地缩短了钠离子扩散路径。此外,量子尺度的异质结构为降低离子扩散电阻和促进界面电荷转移提供了机会。在二氧化钛和氮掺杂多孔碳纳米片的双重约束下,铋金属在充放电过程中体积膨胀得到了有效缓解。独特的0D∩2D多维组装架构,具有固定对齐和封装配置的作用,有效克服量子点电化学反应过程中的不良聚集,赋予Bi/ TiO2 HQDs⊂NC 复合物优异的钠存储性能。通过实验和密度泛函理论(DFT)证明了电子在异质结构界面的转移会导致界面电荷的重新分布和带隙的减小。到目前为止,这是首次报道铋和二氧化钛杂交构建量子尺度的异质结构材料来改善钠离子电池的电化学性能。

研究者相信,此项研究将会为基于二维钛基复合材料在钠离子电池负极材料中的应用打开了一扇窗户,并为基于Bi基材料的制备提供新的思路。相关论文在线发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000085)上。