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《美国化学会志》(JACS):科学家发现加入一小撮“盐”可以改善电池的性能

《美国化学会志》(JACS):科学家发现加入一小撮“盐”可以改善电池的性能

《美国化学会志》(JACS):科学家发现加入一小撮“盐”可以改善电池的性能

(36500365uux.cn报道)据EurekAlert!:来自剑桥大学、伦敦玛丽王后大学和马克思普朗克固体研究所的科学家们前不久发现了一种方法可以使电池在被加入一小撮“盐”以后在性能上得到很大的提升。

他们发现在高温“烘焙”掺入了金属化合物盐的超大分子的有机-金属“海绵”后,这些“海绵”可以变身成为形貌各异的碳基结构。

出人意料的是,掺入金属化合物盐碳化后的材料不是通常会得到的无定形碳基材料,而是一种由网和线组成的复杂且有序的多层级结构材料。这类三维立体(3D)多层级碳基材料作为电池的负极材料时可以促进电解液中的离子在碳材料中的迁移,因此该类材料在高性能电池中的应用前景很大。然而,在以前,3D多层级碳基材料即使在实验室条件也很难获得。

科学家们将这个令人惊喜的结果发表在了《美国化学会志》(JACS)上,并在文中展示了一种基于该类材料的高性能锂离子电池,这种电池不光拥有较高的电容量,而且所需的充电时间很短。

由于自然界中的硅藻也具有复杂且有序的多层级结构,科学家们将他们开发的这类多层级结构材料命名为“纳米硅藻”(nano-diatom)。他们相信这些“纳米硅藻”在储能和电化学催化(如催化制氢气)方面大有用武之地。项目负责人、来自伦敦玛丽王后大学的Stoyan Smoukov教授评论说:“这种碳化变形只有在样品被加热到800摄氏度时才会发生,犹如美剧《权力的游戏》里在火中降生的龙一般神奇。令人更加欣喜的是,在最初的惊喜之后,我们还发现了如何通过改变化学组分来控制这种碳化变形。”

碳材料,例如石墨烯和碳纳米管,是一类自然界中储量极为丰富且存在形式变化多端的材料。由于其优良的导电性和高化学、热稳定性,碳材料迄今为止被广泛应用在储能、催化和电子器件等领域。

三维立体多层级碳基材料不但可以保有如大多数碳材料般良好的物理性质(例如优良的导电性),而且具备一些特殊的能力。这些三维立体多层级碳基材料可在诸如制作轻型结构材料、改善碳材料浸润性和增强流体定向导通性等方面大有作为。然而,具有规则三维立体多层次结构的碳基材料往往很难被简便地制备出来。在以往,制备这些碳材料的方法几乎不与适于大规模量产的“自下而上”的化学方法兼容。

超大分子有机-金属“海绵”也称有机-金属框架(metal organic framework,MOF)材料。MOF大多具有规则的结构和纳米尺寸的孔,它们目前被认为在气体储存和分离上有巨大的应用前景。碳化后的MOF一般会保有较大的比表面积,这使得碳化的MOF有作为电池电极材料的潜力。尽管如此,大多数MOF在碳化后只会生成具有碳化前形貌的无定形多孔碳基衍生物。然而,科学家们却发现向这些MOF“海绵”中添加一些盐后,碳化的产物竟然成了一系列复杂且有序的3D多层级碳基材料。

来自剑桥大学的合作者R. Vasant Kumar教授评论说:“这个工作将MOF的应用研究推向了一个新的高度。这种制作3D多层级碳基材料的方法不光会在储能方面有应用前景,而且在能量转化(如催化制氢)和化学传感方面的潜力同样巨大。”

文章的第一作者、来自剑桥大学的博士生王铁胜(Tiesheng Wang)说:“因为可选的MOF和金属盐的种类非常多,他们的组合会有成千上万种可能,在不久的未来,我们也许会通过选择不同的MOF和金属盐来设计和制作我们想要的碳基材料。”

这项研究由欧洲研究委员会(European Research Council ,ERC)资助。王铁胜博士由国家留学基金管理委员会(CSC)资助,并得到英国工程和自然科学研究委员会(the Engineering and Physical Sciences Research Council,EPSRC)支持。




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