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中国海洋大学柳伟团队在钾离子超级电容器研究领域取得系列进展

发布时间:2020-01-22 14:22:16    浏览次数:26    来源:中国海洋大学

近日,中国海洋大学材料科学与工程学院柳伟教授在新型钾离子超级电容器研究方面取得系列进展。相关论文《冷冻条件下的类生物矿化:制备具有复杂结构与优良储钾性能多孔碳材料的一条新途径》(Bioinspired Mineralization under Freezing Conditions: A New Approach to Fabricate Porous Carbons with Complicated Architecture and Superior K+ Storage Performance)和《中空碳骨架中超薄MoS2的可控分散:构建大空间实现钾离子的快速存储》(Controlled Design of Well-Dispersed Ultrathin MoS2 Nanosheets inside Hollow Carbon Skeleton: Toward Fast Potassium Storage by Constructing Spacious “Houses” for K+ Ions)先后被国际著名期刊ACS Nano (IF 13.9)和Advanced Functional Materials (IF 15.62) 刊发。中国海洋大学博士生崔永朋为第一作者,柳伟教授为通讯作者,中国海洋大学为唯一署名单位。

随着锂离子电池的快速发展,特别是在动力汽车和大规模储能方面的推广应用,导致全球锂资源日趋紧张,严重限制了锂离子电池的广泛应用。作为锂离子电池潜在的替代品,钾离子储能器件研发受到广泛关注。钾离子因电化学性能与锂离子相近,储量丰富,来源广泛,价格低廉,从而在储能领域表现出良好的应用前景。相关钾离子存储材料与器件研究已成为当前科研前沿热点之一。然而,钾离子半径远大于锂离子,导致原有电极材料在存储钾离子过程中出现严重结构破坏,器件性能下降明显。因此,如何设计构建新型电极材料,适应钾离子扩散的热力学与动力学需求,开发出低成本同时兼具高性能的钾离子电极材料成为当前研究的热点与难点。

针对以上问题,柳伟教授团队利用低成本生物质为原料,借鉴于自然界中普遍存在的生物矿化现象,利用生物大分子参与诱导,在实验室中成功实现了类生物矿化结构有机无机复合材料的可控制备,并进一步利用低温冷冻技术,加速生物矿化过程,为该类材料的日后大规模生产奠定基础。基于该矿化结构所制备的多孔碳材料不仅具有新颖的三维连通囊泡结构,而且作为电极材料表现出优异的钾离子存储性能。该研究不仅为可控制备复杂新颖的多孔碳材料提供了一条新的路径,同时也通过师法自然实现了人工技术与天然结构的完美融合,为低成本绿色制备新材料扩展了新的空间。

图1 生物矿化法制备多孔碳材料的示意图与形貌图

为了进一步提升电极材料性能,本着“为大离子构建大空间”的理念,柳伟教授团队引入层片状MoS2与多孔碳材料复合,并提出了MoS2纳米片在多孔腔体中的自装载和有机分子分步扩层两种新技术。通过碳表面官能团的简单修饰,在水热环境下成功实现了MoS2纳米片在多孔碳内的自装载和均分分散,为钾离子的快速传输与扩散奠定了基础。同时,首次利用乙二醇和多巴胺分子实现在MoS2层状结构中的先后分步插入,有效扩大了MoS2的层间距,从而在动力学上有效促进了电极材料的快速储钾行为。以该材料作为电极材料组装的钾离子电容器,其储能性能得到明显提升。

柳伟教授团队长期从事新能源与储能材料领域的应用基础研究,近年来在国家自然科学基金、山东省自然科学基金等资助下利用海洋生物资源开展了新型碳材料的设计合成、电化学储能器件等方面的研究工作,相关研究成果先后发表在J. Mater. Chem. A,ACS Appl. Mater. Interfaces,Green Chem等国际著名期刊上。本次在ACS Nano,Advanced Functional Materials上发表的研究成果是该团队在先进储能材料与器件研究领域取得的又一重要研究进展。

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