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浙師大胡勇教授團(tuán)隊(duì) AFM：B, N雙摻雜碳納米束應(yīng)用于鋅離子存儲(chǔ)中的B-N活性位點(diǎn)識(shí)別

時(shí)間：2023-02-06 來(lái)源： 瀏覽：

浙師大胡勇教授團(tuán)隊(duì) AFM：B, N雙摻雜碳納米束應(yīng)用于鋅離子存儲(chǔ)中的B-N活性位點(diǎn)識(shí)別

化學(xué)與材料科學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)
化學(xué)與材料科學(xué)

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聚集海內(nèi)外化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿動(dòng)態(tài)，與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同合作，發(fā)布實(shí)用科研成果，結(jié)合政策、資本、商業(yè)模式、市場(chǎng)和需求、價(jià)值評(píng)估等諸要素，構(gòu)建其科技產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，服務(wù)國(guó)家管理機(jī)構(gòu)、科研工作者、企業(yè)決策層。

收錄于合集
#B?N鍵 2 個(gè)
#碳納米束 2 個(gè)
#高比容量 3 個(gè)
#鋅離子混合超級(jí)電容器 2 個(gè)

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鋅離子混合超級(jí)電容器兼容了鋅離子電池高能量密度和超級(jí)電容器高功率密度的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代極具發(fā)展前景的儲(chǔ)能器件之一。但受到碳正極吸附能力和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的限制，目前鋅離子混合超級(jí)電容器的能量密度和功率密度仍有待提高。雜原子摻雜能容易地改變碳材料的表面化學(xué)性質(zhì)，調(diào)節(jié)碳平面的電子分布，已被公認(rèn)為一種提高碳材料儲(chǔ)能性能的有效策略。與單摻雜相比，雙摻雜的協(xié)同效應(yīng)使得其展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，特別是缺電子 B (c=2.04) 和富電子 N (c=3.04) 共摻雜的碳材料在鋅離子混合超級(jí)電容器中受到廣泛關(guān)注。
盡管目前在 BNC 材料的合成方面取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于 BNC 鋅離子存儲(chǔ)的增強(qiáng)機(jī)理，特別是摻雜類型和位置對(duì)電化學(xué)性能影響的基礎(chǔ)研究仍很少，對(duì) BNC 材料活性位點(diǎn)還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。一般認(rèn)為， BNC 體系中的 B 物種包括四種，即 BC 3 、 BCO 2 、 BC 2 O 和 B?N 。一些研究認(rèn)為， B-N 鍵會(huì)導(dǎo)致碳體系惰性，因此最好在碳框架中應(yīng)摻雜單一位點(diǎn)的 B 和 N ，避免形成 B-N 鍵。然而，理論計(jì)算表明，與 B?C 和 C?N 鍵相比， B?N 鍵更容易形成。最近的研究表明， B?N 鍵可以促進(jìn)電子導(dǎo)電性和電荷轉(zhuǎn)移，可能有利于電化學(xué)性能。但至今尚未形成共識(shí)。因此，如何深入闡明 B ， N 雙摻雜的增強(qiáng)機(jī)制，并準(zhǔn)確地鑒別 BNC 材料的活性位點(diǎn)仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。
浙江師范大學(xué)的胡勇教授、王海燕副教授與挪威東南大學(xué)的黃昊副教授合作，在《 Advanced Functional Materials 》上發(fā)表題為 “Discriminating Active B?N Sites in Coralloidal B, N Dual-Doped Carbon Nano-Bundles for Boosted Zn-Ion Storage Capability” 的文章 （ DOI: 10.1002/adfm.202212915 ） 。在該項(xiàng)工作中，研究人員結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)對(duì) BNC 體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并合理設(shè)計(jì)了一系列珊瑚狀 B, N 雙摻雜碳 (BNC) 納米束來(lái)解決 BNC 活性位點(diǎn)不明確難題。理論計(jì)算表明，與單摻雜（ B 或 N ）和其他雙摻雜樣品（不同 B 、 N 位點(diǎn)）相比， B-N 鍵不僅提高了 Zn 2+ 離子的吸附能力，還增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，有效促進(jìn)了 Zn 2+ 離子的存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地支持了理論計(jì)算，表明 B?N 鍵可以提高 BNC 的鋅離子存儲(chǔ)容量，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和鋅離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，從而獲得良好的儲(chǔ)能性能。得益于此，構(gòu)筑的富含 B-N 鍵的珊瑚狀 B, N 雙摻雜 BNC 納米束顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能：在 0.2 A g -1 時(shí)的比容量為 204 mAh g -1 ，以及 40,000 次的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。該性能優(yōu)于大多數(shù)的碳正極。此外，基于 BNC 組裝的 BNC//Zn 器件展現(xiàn)出 178.7 Wh kg -1 的高能量密度和 17.5 kW kg -1 的高功率密度。這項(xiàng)工作不但對(duì)高性能碳材料的研發(fā)具有指導(dǎo)性意義，而且加深了對(duì)雙摻雜碳電極調(diào)控機(jī)制的基本理解。
圖 1. 不同碳結(jié)構(gòu)對(duì) Zn 離子吸附能力和態(tài)密度的模擬結(jié)果 . (a) BC 3 /pyridinic-N-G ， (b) BC 2 O/pyridinic-N-G ， (c)BCO 2 /pyridinic-N-G ， (d)B-pyridinic-N-G 上吸附 Zn 原子的理論計(jì)算模型，以及相應(yīng)的 ?Ea 。 Zn 原子吸附在 (e) BC 3 /pyridinic-N-G, (f) BC 2 O/pyridinic-N-G, (g) BCO 2 /pyridinic-N-G, (h) B-pyridinic-N-G 上的電荷密度差分圖，電荷的積累和損耗用黃色和淺藍(lán)色表示。 (i) BC 3 /pyridinic-N-G, BC 2 O/pyridinic-N-G, BCO 2 /pyridinic-N-G, B-pyridinic-N-G 的密度圖。
圖 2. (a) 珊瑚狀 BNC 納米束的制備及形成機(jī)理。 BNC 的 (b, c) SEM 圖， (d) TEM 圖， (e) STEM 圖， (f) 元素分布圖。
圖 3 BNC, NC 和 BC 樣品的 (a)XRD 譜， (b) 拉曼光譜和 (c) FT-IR 光譜。 BNC 的 (d) C 1s ， (e) N 1s 和 (f) B 1s XPS 光譜。 (g) BC 、 BNC 、 BN 的 B K-edge XANES 譜。 (h) 不同類型的 B, N 摻雜物種。
圖 4 BNC 、 NC 和 BC 的鋅離子存儲(chǔ)性能。 (a) 50 mV s -1 時(shí)的循環(huán)伏安曲線。 (b) 0.2 A g -1 電流密度時(shí)的恒流充放電曲線。 (c) 不同電流密度下的比容量。 (d) BNC 和已報(bào)道的碳基 ZHSCs 的 Ragone 圖比較。 (e) 10 A g -1 電流密度下循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)侖效率。 (f) 阻抗圖。 (g) 阻抗實(shí)部與頻率的關(guān)系。 (h) BNC 在 100 mV s -1 時(shí)的電容貢獻(xiàn)。 (i) 在不同掃描速率下， BNC 、 NC 和 BC 的電容貢獻(xiàn)。
圖 5 BNC 、 BNC-800 、 BNC-1000 和 B 0.075 NC 的表征和電化學(xué)性能比較。 (a)B 1s XPS 譜。 (b) 不同樣品中 B 物種的含量。 (c)N 1s XPS 譜。 (d) 不同樣品中 N 物種的含量。 (e) 傅立葉變換紅外光譜。 (f) 50mV s -1 掃速下的循環(huán)伏安曲線。 (g)0.2 A g -1 電流密度時(shí)的恒流充放電曲線。 (h) 不同電流密度下的比容量。 (i) 阻抗圖。 (j) 不同樣品比表面積和比容量的比較。 (k) 不同樣品 I D /I G 值和比容量的比較。

作者簡(jiǎn)介

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胡勇教授簡(jiǎn)介：浙江師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，浙江省 “ 萬(wàn)人計(jì)劃 ” 杰出人才，浙江省首批 “ 萬(wàn)人計(jì)劃 ” 科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，浙江省有突出貢獻(xiàn)中青年專家。主要從事于先進(jìn)功能材料與無(wú)機(jī)合成化學(xué)的基礎(chǔ)研究，在無(wú)機(jī)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法、組裝設(shè)計(jì)、基于微結(jié)構(gòu)的性能表征、應(yīng)用探索及協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)等方面取得一定的研究進(jìn)展。設(shè)計(jì)合成了一系列新型、高效、具有應(yīng)用前景的光電功能納米復(fù)合材料，開(kāi)展了不同類型的異質(zhì)功能納米復(fù)合材料的可控合成、功能優(yōu)化及協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)研究。目前已發(fā)表 SCI 論文 140 余篇  ( 其中 IF>10,  共 52 篇 ) ， ISI 檢索被他人論文引用 10000 余次， H 因子 54 ，入選科睿唯安 2022 年度全球 “ 高被引科學(xué)家 ” 。其中以通訊作者身份在化學(xué)、材料領(lǐng)域國(guó)際重要期刊，如： Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, J. Mater. Chem. A, Appl. Catal. B-Environ., Adv. Sci. 等上面發(fā)表一系列文章， 23 篇入選 ESI 高被引論文， 6 篇入選熱點(diǎn)論文， 1 篇入選 2018 年中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文，撰寫(xiě)英文著作章節(jié) 3 篇，以第一發(fā)明人獲得授權(quán)發(fā)明專利 15 件，并推動(dòng) 1 件專利產(chǎn)業(yè)化。主持并完成多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省杰出青年基金，作為第一完成人獲浙江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)、浙江省高等學(xué)?？蒲谐晒?jiǎng)三等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。作為第一指導(dǎo)教師獲第十七屆 “ 挑戰(zhàn)杯 ” 全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、浙江省第十七屆 “ 挑戰(zhàn)杯 ” 大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。

王海燕副教授簡(jiǎn)介：浙江師范大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。主要從事無(wú)機(jī)納米材料的合成及能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究，在 J. Am. Chem. Soc. ， Adv. Funct. Mater., Nano Energy ， Energy Storage Mater. ， Adv. Sci., Appl. Catal. B-Environ., Research ， J. Mater. Chem. A ， Chem. Eng. J 等發(fā)表論文 50 余篇， 6 篇入選 ESI 高被引論文， 3 篇入選熱點(diǎn)論文，授權(quán)專利 6 件。作為指導(dǎo)教師獲第十七屆 “ 挑戰(zhàn)杯 ” 全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，浙江省第十七屆 “ 挑戰(zhàn)杯 ” 大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。

黃昊副教授簡(jiǎn)介： 2016 年博士畢業(yè)于吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，先后在陜西師范大學(xué)和太原理工大學(xué)從事研究工作。 2021 年獲得歐盟瑪麗居里學(xué)者項(xiàng)目資助（ Marie Sk?odowska-Curie individual Fellowship ），現(xiàn)為挪威東南大學(xué)副教授。其研究方向?yàn)槎S結(jié)構(gòu)納米材料在能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，重點(diǎn)從事新型二維導(dǎo)電 MOFs 和 COFs 的電化學(xué)催化性能研究。以第一作者或通訊作者身份在 Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Appl. Catal. B, Small  等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表多篇研究論文，已發(fā)表論文 40 余篇。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202212915

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