余穎Sci.Bull.：通過多維結構納米複合材料的設計實現其在能源存儲和電催化領域的應用

【引言】

由於具備容量較高、價格低廉、安全無毒等優點，因此金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料已經被研究了數十年。然而，近年來，其研究熱度有所下降，究其原因，主要由於金屬氧化物材料的循環穩定性問題難以解決（例如Fe2O3、MnO2、SnO2等）。金屬氧化物在充放電過程中，晶格發生巨大變化，導致其結構坍塌，循環性能劇烈下降，其循環次數往往不超過200次。近年來，以新加坡南洋理工大學樓雄文教授為主的關於雙金屬氧化物的研究表明（Angew. Chem. Int. Ed. 53 (2014) 1488-1504.、Adv. Mater. 25 (2013) 976-979.、Nano Lett. 12 (2012) 3005-3011.）雙金屬氧化物如NiCo2O4, ZnCo2O4, CuCo2O4等由於具有複雜的化學組成和雙金屬的協同效應使其具有比單獨的金屬氧化物更好的離子電導性。遺憾的是，雙金屬氧化物也沒能解決金屬氧化物致命性的循環穩定性差的缺點。

近年來，分解水是能源轉化研究領域的熱點之一。分解水可以分為產氧（OER）和產氫（HER）兩個半反應。其中，OER由於反應過程複雜，電子轉移數目多而具有比HER更高的過電勢，因此研究OER是研究分解水的重點。IrO2和RuO2等已很早被報道具有很好的OER催化效果，但是其價格較為昂貴。因此，開發一些價格低廉的材料如鎳、鐵、鈷、鉬等單金屬或雙金屬氧化物，水滑石結構等具有重要意義

（Wang etc. Adv Mater 2017; 29.、Wang etc. Angew Chem Int Ed 2017; 56: 5867-5871.、Yu etc. Energy Environ Sci 2017; 10: 1820-1827.）。

【成果簡介】

近日，由華中師範大學余穎教授課題組發表在Science Bulletin上的文章「Design of multidimensional nanocomposite material to realize the application both in energy storage and electrocatalysis」指出，多維度協同的納米結構可以實現複合材料在儲能和電催化領域的同時應用（圖1）。課題組提出了一種多維結構複合材料的思想，即「2+1+0」，該工作以鈷酸鎳作為活性材料為例，2是指二維的二氧化鈦納米片結構，起到提供穩定基底支撐的作用；1指的是鈷酸鎳納米棒在儲能和催化中均為活性材料；0指的是銅納米點，在兩個領域中都能使得複合材料的活化能降低，離子導電性增加並起到提高穩定性的作用。

此外，該文章還提出了銅納米點吸附過程的動力學模型，指出銅納米點在鈷酸鎳上的吸附非常符合Elovich動力學方程。在電化學循環測試中，該工作發現電池容量在前幾百次有大幅度的增加，並最終用電化學動力學的方法研究並解釋了電池容量上升的原因。得益於多維結構材料的優勢，該複合材料其中一個樣品TNC-10在經過500次循環後，容量保持為117%（大於初始容量），1000次循環後容量仍保持91%。為檢驗其商業化可能性，研究者將該材料和鈷酸鋰組合成全電池，一枚電池就可以同時點亮34個二極體。作為OER電催化材料，其表現也很突出：起始過電位僅為0.15 V，電流達到10 mA/cm2的過電位為0.28 V。一節商用1.5V的南孚電池驅動就可以在催化材料表面明顯產生氣泡。

最後，該課題組還首次將原位拉曼的mapping功能用於OER過程中材料的化學性質變化研究（圖2）。余穎教授指出，原位拉曼的mapping 「三維強度模式」可以充分體現本研究中材料在大範圍內OER反應前後的化學變化，因為其相比傳統單個的點測試更具代表性，使得材料在大範圍的化學變化反映得更準確。

【圖文導讀】

圖1 多維材料的設計實現儲能和電催化OER的同時應用

圖2 原位拉曼裝置及其mapping測試，其中d和e圖顯示了OER前後銅峰強度（b圖中橙色波數範圍）在20μm×20μm範圍內的變化。

【小結】

在儲能領域中，人們需要考慮三個重要的問題：活性材料的支撐基底，活性材料以及活性材料導電性和穩定性的提高。而在催化領域，同樣需要關心這三個問題：催化材料的支撐，催化材料以及催化材料活性的提高。結合這兩個方面，該課題組提出了一種多維結構複合材料的思想，即「2+1+0」。本文同時對這種複合材料在能源存儲和電催化領域的應用進行了研究。本文的工作也為製備新型的複合材料提供了新的指導，擁有很廣的應用前景。

文獻鏈接：Design of multidimensional nanocomposite material to realize the application both in energy storage and electrocatalysis. （Sci. Bull., 2018, DOI：10.1016/j.scib.2018.01.014）

本文由Science Bulletin編輯部供稿，材料牛編輯整理。

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