生物衍生材料助力钠离子电池

Hollow Bio-Derived Polymer Nanospheres with Ordered Mesoporesfor Potential Sodium-Ion Battery

Yan Ai, Yuxiu You, Facai Wei, Xiaolin Jiang, Zhuolei Han, Jing Cui, Hao Luo, Yucen Li, Zhixin Xu, Shunqi Xu, Jun Yang, Qinye bao, Chengbin Jing, Jianwei Fu, Jiangong Cheng, Shaohua Liu*
Nano-Micro Lett.(2020)12:31
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0370-1
本文亮点

1 提出一种基于配位聚合驱动的分级自组装方法,以此方法实现了生物衍生物材料的合成和结构控制。

2 本文合成的植酸铁生物衍生聚合物具有中空的纳米结构、有序的介孔孔道、高的比表面积和大的孔容等特征,该材料用作钠离子电池的负极材料,表现出良好的电化学性能。

内容简介

本文提出一种配位聚合驱动的自组装策略用于可控制备生物衍生物材料。利用聚合物前驱体在配位聚合过程中产生的作用力,驱动不同性质的两种表面活性剂进一步共组装。通过该方法,制备出一种具有空心结构的介孔植酸铁纳米球。进一步研究该材料用于锂离子电池负极材料的性能,结果表明,该材料开放的介孔孔道有利于电解质的渗透,能显著地缩短离子扩散距离;其高的比表面积可以提供更多的电化学反应界面;此外,中空结构可以在一定程度上缓解钠离子在插入/脱出过程中产生的体积膨胀。因此,该材料作为一种新型的电极活性材料,表现出较好的电化学性能。
研究背景

自然界中的很多生物体具有复杂的分级结构和精妙的功能,人们受其启发,制备出了一系列分级结构的功能材料。软物质自组装策略,作为一种有力的合成工具,也广泛地用于材料合成。软物质(如:表面活性剂组装体)具有丰富的官能团和组装形态,可以作为多功能的结构导向剂,控制离散的前驱体生长,进而指导其形成特定的复杂结构。但是,构筑复杂的分级结构,通常需要多种模板的协同作用。要同时考虑不同的模板之间,模板和前驱体之间的多种相互作用力。因此,通过控制多种模板的协同组装,进而控制材料的导向生长仍有不小挑战。此外,以生物质前驱体(如多酚、卟啉、多元酸等)和金属离子为原料的生物衍生聚合物材料具有无毒、易获取、可利用性广、种类繁多等特点,在能源存储和转换、催化和生物医药等方面日益发挥重要作用。通过控制多种模板的共同作用,来精确控制该生物衍生物的材料结构,对于扩展其在不同领域的应用很有意义。

图文导读

空心介孔植酸铁纳米球(mFePA-HS)的合成方案

如下图A所示,当在体系中只加入脂肪族含氟表面活性剂(PFOA)时,能得到具有空心纳米球形结构的表面活性剂组装体;而当加入另一种两亲性的高分子表面活性剂(PS-b-PEO)时,可以得到表面具有介孔结构的空心纳米球,如图B。

图1 图A中:a) PFOA组装的小球形胶束。b)因为静电作用,铁离子被吸附到PFOA胶束表面。c)加入植酸后,由于配位作用导致PFOA球形胶束重新组装成大囊泡,从而限制前驱体生长。d)合成的植酸铁空心球。图B中:a) BCP和PFOA的预成型球形胶束。b) PFOA和BCP胶束的共组装体。c)铁离子被吸附在PFOA@BCP组装体表面。d) 加入植酸后,由于配位作用导致PFOA球形胶束与BCP胶束重新组装,限制前驱体生长,形成原生的介孔植酸铁空心球。e)去除模板后得到的空心介孔植酸铁球。
II 微观形貌表征

我们对制备出的空心介孔植酸铁纳米球进行微观形貌分析。扫描电镜(SEM)结果表明,该纳米球表面均匀地分布着有序介孔,介孔的孔径和壁厚分别为 ~ 12 nm和 ~ 10 nm,动态光散射(DLS)表明其平均粒径约450 nm,此外,透射电子显微镜(TEM)证实了该材料的空心结构。

图2 a、b、c)不同放大倍数下mFePA-HS的SEM图像。d)动态光散射测量mFePA-HS的粒径分布图。

图3 a, b)TEM图像。C) mFePA-HS的EDX元素分布图,(比例尺:100 nm)。

III 物相结构表征

通过N2吸脱附测试、红外光谱、XPS等对材料进行表征,说明该方法相比无模板制备的材料,材料的比表面积大大提高,我们也确认了该材料的组成成分,表明具有植酸铁的结构形式。

图4 a) mFePA-HS和blank-FePA的N2吸附-脱附等温线,blank-FePA曲线向上平移了200 cm-3/g。b) mFePA-HS和blank-FePA的FT-IR光谱。c) Fe2p的XPS谱。d) P2p的XPS谱图。
IV 电化学性能分析
我们将合成的材料作为活性物质制备成CR2032纽扣电池并测试电化学性能,如图5所示。可以看出,相比于空白样品(无模板制备的材料),合成的mFePA-HS在电容量、倍率性能和稳定性上都有所提升。
图4 a) mFePA-HS循环伏安(CV)曲线。b) mFePA-HS在不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线。c) 初始循环后,mFePA-HS的放电和充电曲线。d) mFePA-HS和blank-FePA的倍率性能。e) mFePA-HS和blank-FePA在200 mA/g电流密度下的循环性能。f)室温下mFePA-HS和blank-FePA的Nyquist图。
作者简介

艾研

本文第一作者

华东师范大学物理与电子科学学院

主要研究领域

自组装制备先进功能材料。

刘少华

本文通讯作者

华东师范大学物理与电子科学学院

特聘教授、博士生导师

主要研究领域

多孔材料、低维材料以及新型聚合物的可控制备和性能开发(主要集中在能源、传感等领域)。

个人主页
https://faculty.ecnu.edu.cn/_s41/lsh2/main.psp

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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