NH2-MIL-125 (Ti) Derived Flower-Like Fine TiO2 Nanoparticles Implanted in N-doped Porous Carbon as an Anode with High Activity and Long Cycle Life for Lithium-Ion Batteries

Yue Yang Jiawei Zhu Pengyan Wang Haimi Liu Weihao Zeng Lei Chen Zhixiang Chen Shichun Mu

Citation:  Yue Yang, Jiawei Zhu, Pengyan Wang, Haimi Liu, Weihao Zeng, Lei Chen, Zhixiang Chen, Shichun Mu. NH2-MIL-125 (Ti) Derived Flower-Like Fine TiO2 Nanoparticles Implanted in N-doped Porous Carbon as an Anode with High Activity and Long Cycle Life for Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(6): 2106002-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002 shu

镶嵌于NH2-MIL-125 (Ti)衍生氮掺多孔碳中的花状超细纳米TiO2作为高活性和稳定性的锂离子电池负极材料

    通讯作者: 木士春, msc@whut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFA0202603

    国家自然科学基金 22075223

摘要: 由于具有高安全性和优异的循环稳定性,二氧化钛(TiO2)作为负极材料被广泛地应用于锂离子电池领域。但是较差的导电性和离子传输速率限制了TiO2的进一步应用和发展。鉴于此,我们以花状NH2-MIL-125 (Ti)为前驱体和硬模板,成功合成出了具有花状结构的超细纳米TiO2/多孔氮掺杂碳片(N-doped porous carbon)复合物(记为FL-TiO2/NPC)。过程中所制备的纳米TiO2-金属有机构架(Ti-MOF)展现出由二维褶皱多孔纳米片堆积、组装而成的花状结构。一方面,二维褶皱纳米片包含TiO2纳米颗粒可以增大活性物质与电解液的接触面积;另一方面,氮掺杂多孔碳基体可以提高整体复合物的导电性和结构完整性。将所获得的FL-TiO2/NPC作为负极组装成的锂半电池, 在0.5 A·g-1、300圈后仍有384.2 mAh·g-1以及在1 A·g-1、500圈仍有279.1 mAh·g-1的比容量。进一步性能测试表明,在2 A·g-1、2000圈长循环测试后,其仍能保持256.5 mAh·g-1的比容量和接近100%的库伦效率。该优异的电化学活性和稳定性主要起源于材料独特的花状结构。我们的合成策略为今后制备高储锂性能的金属氧化物/多孔氮掺杂碳负极提供了一种新的思路。

English

    1. [1]

      Tarascon, J. M.; Armand, M. Nature 2001, 414 (6861), 359. doi: 10.1038/35104644

    2. [2]

      Whittingham, M. S. Chem. Rev. 2004, 104 (10), 4271. doi: 10.1021/cr020731c

    3. [3]

      Goodenough, J. B.; Park, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (4), 1167. doi: 10.1021/ja3091438

    4. [4]

      Zhang, J.; He, T.; Zhang, W.; Sheng, J. Z.; Amiinu, I. S.; Kou, Z. K.; Yang, J. L.; Mai, L. Q.; Mu, S. C. Adv. Energy Mater. 2017, 7 (5), 1602092. doi: 10.1002/aenm.201602092

    5. [5]

      Yang, J.; Kang, X.; He, D.; Zheng, A.; Pan, M.; Mu, S. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (32), 16567. doi: 10.1039/c5ta03874j

    6. [6]

      Liu, H.; Zeng, W.; Yang, Y.; Chen, J.; Mu, S. J. Mater. Chem. A 2020, 9 (2), 1260. doi: 10.1039/d0ta10179f

    7. [7]

      Yoo, E.; Kim, J.; Hosono, E.; Zhou, H.; Kudo, T.; Honma, I. Nano Lett. 2008, 8 (8), 2277. doi: 10.1021/nl800957b

    8. [8]

      Reddy, M. V.; Rao, G. V. S.; Chowdari, B. V. R. Chem. Rev. 2013, 113 (7), 5364. doi: 10.1021/cr3001884

    9. [9]

      Zhu, G. N.; Wang, Y. G.; Xia, Y. Y. Energy Environ. Sci. 2012, 5 (5), 6652. doi: 10.1039/c2ee03410g

    10. [10]

      Kim, K. T.; Ali, G.; Chung, K. Y.; Yoon, C. S.; Yashiro, H.; Sun, Y. K.; Lu, J.; Amine, K.; Myung, S. T. Nano Lett. 2014, 14 (2), 416. doi: 10.1021/nl402747x

    11. [11]

      Wang, Z. Y.; Lou, X. W. Adv. Mater. 2012, 24 (30), 4124. doi: 10.1002/adma.201104546

    12. [12]

      Wu, L. M.; Buchholz, D.; Bresser, D.; Chagas, L.G.; Passerini, S. J. Power Sources 2014, 251, 379. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.083

    13. [13]

      Wang, D. H.; Choi, D. W.; Li, J.; Yang, Z. G.; Nie, Z. M.; Kou, R.; Hu, D. H.; Wang, C. M.; Saraf, L. V.; Zhang, J. G.; et al. Acs Nano 2009, 3 (4), 907. doi: 10.1021/nn900150y

    14. [14]

      Wang, Z. Y.; Zhou, L.; Lou, X. W. Adv. Mater. 2012, 24 (14), 1903. doi: 10.1002/adma.201200469

    15. [15]

      Chen, J. S.; Tan, Y. L.; Li, C. M.; Cheah, Y. L.; Luan, D. Y.; Madhavi, S.; Boey, F. Y. C.; Archer, L. A.; Lou, X. W. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (17), 6124. doi: 10.1021/ja100102y

    16. [16]

      Chen, D. H.; Huang, F. Z.; Cheng, Y. B.; Caruso, R. A. Adv. Mater. 2009, 21 (21), 2206. doi: 10.1002/adma.200802603

    17. [17]

      Hu, Y. S.; Kienle, L.; Guo, Y. G.; Maier, J. Adv. Mater. 2006, 18 (11), 1421. doi: 10.1002/adma.200502723

    18. [18]

      Armstrong, A. R.; Armstrong, G.; Canales, J.; Garcia, R.; Bruce, P. G. Adv. Mater. 2005, 17 (7), 862. doi: 10.1002/adma.200400795

    19. [19]

      Qiu, B. C.; Xing, M. Y.; Zhang, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (16), 5852. doi: 10.1021/ja500873u

    20. [20]

      Liu, L. C.; Corma, A. Chem. Rev. 2018, 118 (10), 4981. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00776

    21. [21]

      Chen, D.; Lu, R.; Pu, Z.; Zhu, J.; Li, H. W.; Liu, F.; Hu, S.; Luo, X.; Wu, J.; Zhao, Y.; et al. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 279 (15), 119396. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119396

    22. [22]

      Yuan, S.; Pu, Z. H.; Zhou, H.; Yu, J.; Amiinu, I. S.; Zhu, J. W.; Liang, Q. R.; Yang, J. L.; He, D. P.; Hu, Z. Y.; et al. Nano Energy 2019, 59, 472. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.02.062

    23. [23]

      Li, H.; Wang, K. C.; Sun, Y. J.; Lollar, C. T.; Li, J. L.; Zhou, H. C. Mater. Today 2018, 21 (2), 108. doi: 10.1016/j.mattod.2017.07.006

    24. [24]

      Dhakshinamoorthy, A.; Asiri, A. M.; Garcia, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (18), 5414. doi: 10.1002/anie.201505581

    25. [25]

      Xu, X.; Cao, R.; Jeong, S.; Cho, J. Nano Lett. 2012, 12 (9), 4988. doi: 10.1021/nl302618s

    26. [26]

      Zou, F.; Hu, X. L.; Li, Z.; Qie, L.; Hu, C. C.; Zeng, R.; Jiang, Y.; Huang, Y. H. Adv. Mater. 2014, 26 (38), 6622. doi: 10.1002/adma.201402322

    27. [27]

      Zhang, G. H.; Hou, S. C.; Zhang, H.; Zeng, W.; Yan, F. L.; Li, C. C.; Duan, H. G. Adv. Mater. 2015, 27 (14), 2400. doi: 10.1002/adma.201405222

    28. [28]

      Wu, R. B.; Qian, X. K.; Yu, F.; Liu, H.; Zhou, K.; Wei, J.; Huang, Y. Z. J. Mater. Chem. A 2013, 1 (37), 11126. doi: 10.1039/c3ta12621h

    29. [29]

      Wang, Q. F.; Zou, R. Q.; Xia, W.; Ma, J. Qiu, B.; Mahmood, A.; Zhao, R.; Yang, Y. Y. C.; Xia, D. G.; Xu, Q. Small 2015, 11 (21), 2511. doi: 10.1002/smll.201403579

    30. [30]

      Liu, J.; Wu, C.; Xiao, D. D.; Kopold, P.; Gu, L.; van Aken, P. A.; Maier, J.; Yu, Y. Small 2016, 12 (17), 2354. doi: 10.1002/smll.201503821

    31. [31]

      Cao, X. H.; Zheng, B.; Rui, X. H.; Shi, W. H.; Yan, Q. Y.; Zhang, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53 (5), 1404. doi: 10.1002/anie.201308013

    32. [32]

      Li, C.; Chen, T. Q.; Xu, W. J.; Lou, X. B.; Pan, L. K.; Chen, Q.; Hu, B. W. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (10), 5585. doi: 10.1039/c4ta06914e

    33. [33]

      Li, Z. Q.; Yin, L. W. Energy Storage Mater. 2018, 14, 367. doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.002

    34. [34]

      Li, H.; Liang, M.; Sun, W. W.; Wang, Y. Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (7), 1098. doi: 10.1002/adfm.201504312

    35. [35]

      Fan, S.; Huang, S. Z.; Chen, Y. X.; Shang, Y.; Wang, Y.; Kong, D. Z.; Pam, M. E.; Shi, L. L.; Lim, Y. W.; Shi, Y. M.; et al. Energy Storage Mater. 2019, 23, 17. doi: 10.1016/j.ensm.2019.05.043

    36. [36]

      Ji, D.; Zhou, H.; Tong, Y. L.; Wang, J. P.; Zhu, M. Z.; Chen, T. H.; Yuan, A. H. Chem. Eng. J. 2017, 313, 1623. doi: 10.1016/j.cej.2016.11.063

    37. [37]

      Li, C.; Liu, L.; Kang, J.; Xiao, Y.; Feng, Y.; Cao, F. F.; Zhang, H. Energy Storage Mater. 2020, 31, 115. doi: 10.1016/j.ensm.2020.06.005

    38. [38]

      A. Banerjee, V. Aravindan, S. Bhatnagar, D. Mhamane, S. Madhavi, S. Ogale, Nano Energy 2013, 2 (5), 890. doi: 10.1016/j.nanoen.2013.03.006

    39. [39]

      Wu, F.; Srot, V.; Chen, S.; Zhang, M.; van Aken, P. A.; Wang, Y. Maier, J.; Yu, Y. ACS Nano 2021, 15 (1), 1509. doi: 10.1021/acsnano.0c08918

    40. [40]

      Zhou, X. F.; Chen, L. L.; Zhang, W. H.; Wang, J. W.; Liu, Z. J.; Zeng, S. F.; Xu, R.; Wu, Y.; Ye, S.F.; Feng, Y. Z.; et al. Nano Lett. 2019, 19 (8), 4965. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01127

    41. [41]

      Wu, Y.; Liu, Z.; Zhong, X. W.; Cheng, X. L.; Fan, Z. J.; Yu, Y. Small 2018, 14 (12), 1703472. doi: 10.1002/smll.201703472

    42. [42]

      Wang, P.; Zhang, G.; Cheng, J.; You, Y.; Li, Y. K.; Ding, C.; Gu, J. J.; Zheng, X. S.; Zhang, C. F.; Cao, F. F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7, 6138. doi: 10.1021/acsami.6b15982

    43. [43]

      徐冰妍, 张应, 皮业灿, 邵琪, 黄小青. 物理化学学报, 2021, 37 (7), 2009074. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009074Xu, B. Y.; Zhang, Y.; Pi, Y. C.; Shao, Q.; Huang, X. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (7), 2009074. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009074

    44. [44]

      Fang, Y. J.; Zhang, J. X.; Zhong, F. P.; Feng, X. M.; Chen, W. H.; Ai, X. P.; Yang, H. X.; Cao, Y. L. CCS Chem. 2020, 2, 2428. doi: 10.31635/ccschem.020.202000520

    45. [45]

      高增强, 王聪勇, 李俊俊, 朱亚廷, 张志成, 胡文平. 物理化学学报, 2021, 37 (7), 2010025. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010025Gao, Z. Q.; Wang, C. Y.; Li, J. J.; Zhu, Y. T.; Zhang, Z. C.; Hu, W. P. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (7), 2010025. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010025

    46. [46]

      Yang, Y.; Zhu, J. W.; Wang, P. Y.; Zeng, W. H.; Liu, H. M.; Zhang, C. T.; Chen, Z. X.; Liu, D.; Xiao, J. S.; Mu. S. C. J. Alloy. Compd. 2021, 876 (25), 160135. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.160135

    47. [47]

      Fan, M.; Yang, Z.; Lin, Z.; Xiong, X. Nanoscale 2021, 13, 2368. doi: 10.1039/d0nr07659g

    48. [48]

      Wang, F.; He, X. X.; Sun, L. M.; Chen, J. Q.; Wang, X. J.; Xu, J. H.; Han, X. G. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (5), 2091. doi: 10.1039/c7ta09166d

    49. [49]

      Xing, Y. L.; Wang, S. B.; Fang, B. Z.; Song, G.; Wilkinson, D. P.; Zhang, S. C. J. Power Sources 2018, 385, 10. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.077

    50. [50]

      Ren, M. M.; Xu, H.; Li, F.; Liu, W. L.; Gao, C. L.; Su, L. W.; Li, G. D. Hei, J. P. J. Power Sources 2017, 353, 237. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.04.015

    51. [51]

      Xu, H.; Wang, W.; Qin, L.; Yu, G.; Ren, L.; Jiang, Y.; Chen, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12 (39), 43813. doi: 10.1021/acsami.0c13142

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  54
  • HTML全文浏览量:  8
文章相关
  • 发布日期:  2022-06-15
  • 收稿日期:  2021-06-02
  • 接受日期:  2021-08-09
  • 修回日期:  2021-08-06
  • 网络出版日期:  2021-08-19
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