电化学置换反应制备石墨烯基纳米无定型锑复合阳极用于高性能钠离子电容器的构筑

米超林 秦玉莹 黄欣莉 罗伊杰 张志薇 王成祥 石元昌 尹龙卫 王儒涛

引用本文: 米超林, 秦玉莹, 黄欣莉, 罗伊杰, 张志薇, 王成祥, 石元昌, 尹龙卫, 王儒涛. 电化学置换反应制备石墨烯基纳米无定型锑复合阳极用于高性能钠离子电容器的构筑[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 230601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306011 shu
Citation:  Chaolin Mi, Yuying Qin, Xinli Huang, Yijie Luo, Zhiwei Zhang, Chengxiang Wang, Yuanchang Shi, Longwei Yin, Rutao Wang. Galvanic Replacement Synthesis of Graphene Coupled Amorphous Antimony Nanoparticles for High-Performance Sodium-Ion Capacitor[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(5): 230601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306011 shu

电化学置换反应制备石墨烯基纳米无定型锑复合阳极用于高性能钠离子电容器的构筑

    通讯作者: 石元昌, yuanchangshi@sdu.edu.cn; 王儒涛, rtwang@sdu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52272224

    国家自然科学基金 5190218

    山东省科技型中小企业创新能力提升工程 2021TSGC1149

    山东省高等学校青年创新团队发展计划 10000082295015

摘要: 锑(Sb),因其具有较高的理论比容量(660 mAh∙g−1)、较低储钠电位(0.5–0.8 V vs. Na/Na+)和较高的密度(6.68 g∙cm−3)等特点,被认为是一种理想的钠离子电容器的阳极材料。然而,在Na+脱嵌过程中,Sb电极会发生较大的体积变化,导致其容量快速衰减以及倍率性能变差,阻碍了Sb电极的实际应用。因此,本文提出一种可用于制备锚定在具有碳涂层的二维石墨烯表面的无定型Sb纳米颗粒的电化学置换方法。所制备Sb/石墨烯复合材料具有典型的二维复合结构,可大幅增加与电解液界面接触面积,缩短离子扩散路径,促进离子迁移与电子转移。进一步利用该复合材料作为阳极,自制活性炭作为阴极,构建出一种新型钠离子电容器。研究证实,该钠离子电容器工作电压可达4.0 V,可输出140.75 Wh∙kg−1的最大能量密度和12.43 kW∙kg−1的最高功率密度。综上,该研究结果可为钠离子储能器件用高容量锑基阳极材料的优化设计提供可借鉴的思路。

English

    1. [1]

      Vaalma, C.; Buchholz, D.; Weil, M.; Passerini, S. Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 18013. doi: 10.1038/natrevmats.2018.13

    2. [2]

      Chayambuka, K.; Mulder, G.; Danilov, D. L.; Notten, P. H. L. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001310. doi: 10.1002/aenm.202001310

    3. [3]

      Zhang, Z. H.; Gu, Z. H.; Zhang, C. G.; Li, J. B.; Wang, C. Y. Batteries Supercaps 2021, 4, 1680. doi: 10.1002/batt.202100042

    4. [4]

      Cai, P.; Zou, K. Y.; Deng, X. L.; Wang, B. W.; Zheng, M.; Li, L. H.; Hou, H. S.; Zou, G. Q.; Ji, X. B. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003804. doi: 10.1002/aenm.202003804

    5. [5]

      Wang, H. W.; Zhu, C. R.; Chao, D. L.; Yan, Q. Y.; Fan, H. J. Adv. Mater. 2017, 29, 1702093. doi: 10.1002/adma.201702093

    6. [6]

      Chang, X. Q.; Huang, T. Y.; Yu, J. Y.; Li, J. B.; Wang, J.; Wei, Q. L. Batteries Supercaps 2021, 4, 1567. doi: 10.1002/batt.202100043

    7. [7]

      Ding, J.; Hu, W. B.; Paek, E.; Mitlin, D. Chem. Rev. 2018, 118, 6457. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00116

    8. [8]

      Zhu, C. Y.; Yu, W. Q.; Zhang, S. X.; Chen, J. C.; Liu, Q. Y.; Li, Q. Y.; Wang, S. J.; Hua, M. H.; Lin, X. H.; Yin, L. W.; et al. Adv. Mater. 2023, 35, 2211611. doi: 10.1002/adma.202211611

    9. [9]

      Yu, W. Q.; Zhu, C. Y.; Wang, R. T.; Chen, J. C.; Liu, Q. Y.; Zhang, S. X.; Zhang, S. B.; Sun, J. F.; Yin, L. W. Energy Environ. Mater. 2023, 6, 12337. doi: 10.1002/eem2.12337

    10. [10]

      Zhang, H.; Hasa, I.; Passerini, S. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702582. doi: 10.1002/aenm.201702582

    11. [11]

      Lao, M. M.; Zhang, Y.; Luo, W. B.; Yan, Q. Y.; Sun, W. P.; Dou, S. X. Adv. Mater. 2017, 29, 1700622. doi: 10.1002/adma.201700622

    12. [12]

      Hou, H. S.; Qiu, X. Q.; Wei, W. F.; Zhang, Y.; Ji, X. B. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602898. doi: 10.1002/aenm.201602898

    13. [13]

      Yu, W. Q.; Zhu, C. Y.; Wang, R. T.; Chen, J. C.; Liu, Q. Y.; Zhang, S. X.; Gao, Z. J.; Wang, C. X.; Zhang, Z. W.; Yin, L. W. Rare Metals 2022, 41, 3360. doi: 10.1007/s12598-022-02015-z

    14. [14]

      Yin, J.; Qi, L.; Wang, H. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 2762. doi: 10.1021/am300385r

    15. [15]

      Yuan, J.; Qiu, M.; Hu, X.; Liu, Y. J.; Zhong, G. B.; Zhan, H. B.; Wen, Z. H. ACS Nano 2022, 16, 14807. doi: 10.1021/acsnano.2c05662

    16. [16]

      Ma, Y.; Zhang, L. Y.; Yan, Z. X.; Cheng, B.; Yu, J. G.; Liu, T. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103820. doi: 10.1002/aenm.202103820

    17. [17]

      Liu, C.; Zhang, M. X.; Zhang, X.; Wan, B.; Li, X. N.; Gou, H. Y.; Wang, Y. X. Yin, F. X.; Wang, G. K. Small 2020, 16, 2004457. doi: 10.1002/smll.202004457

    18. [18]

      Zhao, R. Z.; Di, H. X.; Wang, C. X.; Hui, X. B.; Zhao, D. Y.; Wang, R. T.; Zhang, L. Y.; Yin, L. W. ACS Nano 2020, 14, 13938. doi: 10.1021/acsnano.0c06360

    19. [19]

      Li, Q. H.; Zhang, W.; Peng, J.; Zhang, W.; Liang, Z. X.; Wu, J. W.; Feng, J. J.; Li, H. X.; Huang, S. M. ACS Nano 2021, 15, 15104. doi: 10.1021/acsnano.1c05458

    20. [20]

      Yang, K. X.; Tang, J. F.; Liu, Y.; Kong, M.; Zhou, B.; Shang, Y. C.; Zhang, W. H. ACS Nano 2020, 14, 5728. doi: 10.1021/acsnano.0c00366

    21. [21]

      Liu, Z. M.; Yu, X. Y.; Lou, X. W.; Paik, U. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2314. doi: 10.1039/c6EE01501H

    22. [22]

      He, M.; Kravchyk, K.; Walter, M.; Kovalenko, M. V. Nano Lett. 2014, 14, 1255. doi: 10.1021/nl404165c

    23. [23]

      Liu, J.; Yu, L. T.; Wu, C.; Wen, Y. R.; Yin, K. B.; Chiang, F. K.; Hu, R. Z.; Liu, J. W.; Sun, L. T.; Gu, L.; et al. Nano Lett. 2017, 17, 2034. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b00083

    24. [24]

      Liu, Y.; Zhou, B.; Liu, S.; Ma, Q. S.; Zhang, W. H. ACS Nano 2019, 13, 5885. doi: 10.1021/acsnano.9b01660

    25. [25]

      Hou, Z. G.; Zhang, X. Q.; Chen, J. W.; Qian, Y. T.; Chen, L. F.; Lee, P. S. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 210453. doi: 10.1002/aenm.202104053

    26. [26]

      Bi, X. Y.; Li, M. C.; Zhou, G. Q.; Liu, C. Z.; Huang, R. Z.; Shi, Y.; Xu, B. B.; Guo, Z. H.; Fan, W.; Algadi, H.; et al. Nano Res. 2023, 16, 7696. doi: 10.1007/s12274-023-5586-1

    27. [27]

      Duan, J.; Zhang, W.; Wu, C.; Fan, Q. J.; Zhang, W. X.; Hu, X. L.; Huang, Y. H. Nano Energy 2015, 16, 479. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.07.021

    28. [28]

      Xiao, B.; Sun, Z.; Zhang, H.; Wu, Y.; Li, J.; Cui, J.; Han, J.; Li, M.; Zheng, H.; Chen, J.; et al. Energy Environ. Sci. 2023, 16, 2153. doi: 10.1039/D2EE03970B

    29. [29]

      Li, H. M.; Wang, K. L.; Zhou, M.; Li, W.; Tao, H. W.; Wang, R. X.; Cheng, S. J.; Jiang, K. ACS Nano 2019, 13, 9533. doi: 10.1021/acsnano.9b04520

    30. [30]

      Chen, B. C.; Qin, H. Y.; Li, K.; Zhang, B.; Liu, E. Z.; Zhao, N. Q.; Shi, C. S.; He, C. N. Nano Energy 2019, 66, 104133. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104133

    31. [31]

      Guo, X.; Gao, H.; Wang, S. J.; Yang, G.; Zhang, X. Y.; Zhang, J. Q.; Liu, H.; Wang, G. X. Nano Lett. 2022, 22, 1225. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04389

    32. [32]

      Dong, W. X.; Qu, Y. F.; Liu, X.; Chen, L. F. Flatchem 2023, 37, 100467. doi: 10.1016/j.flatc.2022.100467

    33. [33]

      Yao, J. J.; Li, F. Z.; Zhou, R. Y.; Guo, C. C.; Liu, X. R.; Zhu, Y. R.; Chin. Chem. Lett. 2023, 108354. doi: 10.1016/j.cclet.2023.108354

    34. [34]

      薄拯, 孔竞, 杨化超, 郑周威, 陈鹏鹏, 严建华, 岑可法. 物理化学学报, 2022, 38, 2005054. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005054Bo, Z.; Kong, J.; Yang, H. C.; Zheng, Z. W.; Chen, P. P.; Yan, J. H.; Cen, K. F. Acta Phys.-Chim Sin. 2022, 38, 2005054. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005054

    35. [35]

      Shao, M. J.; Li, C. X.; Li, T.; Yu, W. Q.; Wang, R. T.; Zhang, J.; Yin, L. W. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006561. doi: 10.1002/adfm.202006561

    36. [36]

      Tang, T.; Jiang, W. J.; Liu, X. Z.; Deng, J.; Niu, S.; Wang, B.; Jin, S. F.; Zhang, Q.; Gu, L.; Hu, J. S.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 7116. doi: 10.1021/jacs.0c01349

    37. [37]

      Pu, B.; Liu, Y.; Bai, J.; Chu, X.; Zhou, X. F.; Qing, Y.; Wang, Y. B.; Zhang, M. Z.; Ma, Q. S.; Xu, Z.; et al. ACS Nano 2022, 16, 18746. doi: 10.1021/acsnano.2c07472

    38. [38]

      Chen, Z.; Augustyn, V.; Jia, X. L.; Xiao, Q. F.; Dunn, B.; Lu, Y. F. ACS Nano 2012, 6, 4319. doi: 10.1021/nn300920e

    39. [39]

      Kirubasankar, B.; Vijayan, S.; Angaiah, S. Sustain. Energy Fuels 2019, 3, 467. doi: 10.1039/C8SE00446C

    40. [40]

      Li, H, X.; Lang, S. L.; Chen, J. T.; Wang, K. J.; Liu, L. Y.; Zhang, T. Y.; Liu, W. S.; Yan, X. B. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800757. doi: 10.1002/adfm.201800757

    41. [41]

      Fan, Z. D.; Wei, C. H.; Yu, L. H.; Xia, Z.; Cai, J. S.; Tian, Z. N.; Zou, G. F.; Dou, S. X.; Sun, J. Y. ACS Nano 2020, 14, 867. doi: 10.1021/acsnano.9b08030

    42. [42]

      Wang, S. J.; Wang, R. T.; Zhang, Y. B.; Jin, D. D.; Zhang, L. J. Power Sources 2018, 379, 33. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.019

    43. [43]

      Dong, S. Y.; Shen, L. F.; Li, H. S.; Pang, G.; Dou, H.; Zhang, X.G. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 3703. doi: 10.1002/adfm.201600264

    44. [44]

      Gao, J. Y.; Li, Y. P.; Liu, Y.; Jiao, S. H.; Li, J.; Wang, G. R.; Zeng, S. Y.; Zhang, G. Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 10028. doi: 10.1039/C9TA05666A

    45. [45]

      Chao, H. X.; Qin, H. Q.; Zhang, M. D.; Huang, Y. C.; Gao, L. F.; Gu, H. L.; Wang, K.; Teng, X. L.; Cheng, J. K.; Lu, Y. K.; et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007636. doi: 10.1002/adfm.20200636

    46. [46]

      Le, Z. Y.; Liu, F.; Nie, P.; Li, X. R.; Liu, X. Y.; Bian, Z. F.; Chen, G.; Wu, H. B.; Lu, Y. F. ACS Nano 2017, 11, 2952. doi: 10.1021/acsnano.6b08332

    47. [47]

      Song, Z. R.; Zhang, G. Y.; Deng, X. L.; Tian, Y.; Xiao, X. H.; Deng, W. T.; Hou, H. S.; Zou, G. Q.; Ji, X. B. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205453. doi: 10.1002/adfm.202205453

    48. [48]

      Liu, Q. Y.; Chen, J. C.; Du, D. N.; Zhang, S. X.; Zhu, C. Y.; Zhang, Z. W.; Wang, C. X.; Yin, L. W.; Wang, R. T. J. Mater. Chem. A 2023, doi: 10.1039/D3TA01098H

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  483
  • HTML全文浏览量:  42
文章相关
  • 发布日期:  2024-05-15
  • 收稿日期:  2023-06-05
  • 接受日期:  2023-07-10
  • 修回日期:  2023-07-02
  • 网络出版日期:  2023-07-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章