首页 > 行业资讯 > 华南师大舒东教授Chem. Eng. J.：兼具丰富活性Mn3+位点和氧空位的中空MnO2纳米盒用于高性能钠离子赝电容器

华南师大舒东教授Chem. Eng. J.：兼具丰富活性Mn3+位点和氧空位的中空MnO2纳米盒用于高性能钠离子赝电容器

时间：2022-10-12 来源： 浏览：

华南师大舒东教授Chem. Eng. J.：兼具丰富活性Mn3+位点和氧空位的中空MnO2纳米盒用于高性能钠离子赝电容器

Energist 能源学人
能源学人

energist

能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集
【研究背景】
二氧化锰(MnO 2 )具有高的理论比电容1370 F g -1 ，价格低廉，电压窗宽和环境友好等特点，是极具前途的超级电容器(SCs)电极材料。然而，二氧化锰的实际性能较差， 其主要原因有： MnO 2 材料暴露的活性位点少；较低的离子(10 -13 S cm -1 )和电子(10 -5 -10 -6 S cm -1 )导电性和由于Jahn-Teller畸变引起的晶格应力和体积变化导致的稳定性差。解决这些问题的一种有效策略是设计独特中空结构的MnO 2 。目前，制备中空MnO 2 的方法主要有硬模板法、软模板法和自牺牲模板法。与硬模板和软模板法相比，自模板策略在构建可定制的空心结构方面具有独特的优势，无需额外的复杂程序来移除模板。特别是金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)，作为一种由金属阳离子/簇和有机配体组成的新型多孔配位聚合物，由于其具有有序的多孔结构、高比表面积和量身定制的几何形态，是中空结构合理设计的理想自模板。然而，特定的模板通常是低价锰(Mn II )化合物，将其转化为MnO 2 必需额外地添加一种氧化剂(如K 2 S 2 O 4 , KMnO 4 和H 2 O 2 )。在后处理中，剧烈的氧化过程会导致脆性中空结构的破坏且制备过程繁琐。此外，通过缺陷工程(如，氧空位)改变MnO 2 中的局部电子结构和配位环境和元素掺杂也是加速电荷转移、改善离子吸附/解吸行为、提高电子电导率的可行策略。因此，我们希望提出一种结合自氧化还原过程的简便自模板策略，一步合成具有稳定中空结构和有利电子结构的MnO 2 。

【文章简介】

近日， 华南师范大学舒东教授课题组 开发了一种有效的自氧化还原模板结合 TEA 诱导策略，从Mn-PBA前体制造空心H-MnO 2 -TEA纳米盒。Mn-PBA作为双功能前体提供了纳米立方结构并引发了“自氧化还原”反应。此外，TEA 的引入产生了丰富的氧空位并调整了配位环境。 DFT计算结果表明，H-MnO 2 -TEA中的氧空位改变了[MnO 6 ]的电子构型，形成了自适应的局部内建电场，从而提高了电导率和离子反应动力学。由于中空结构和氧空位的优势，H-MnO 2 -TEA表现出316.8 F g -1 的高比电容、优异的倍率容量和良好的循环稳定性，10000次循环后保持其初始比电容的96.1%。此外，组装后的H-MnO 2 -TEA//AC ASC器件具有34.4 Wh kg -1 的高能量密度，在20000 W kg -1 的超高功率密度下仍能提供24.4 Wh kg -1 的高能量密度。这项工作提出了一种简便的策略，可以同时构建中空结构并将氧空位引入金属氧化物，从而为高性能储能和转换装置或电催化剂的设计提供见解。该文章题为“Self-templated and triethanolamine-induced hollow MnO 2 nanoboxes with abundant active Mn 3+ and oxygen vacancies for high-performance Na-ion pseudocapacitors” (DOI: 10.1016/j.cej.2022.139661)发表在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上。
【文章要点】
要点1： Mn-PBA不仅作为自模板，而且触发“自氧化还原反应”原位生成MnO 2 ，无需额外引入氧化剂，避免了在随后的强氧化过程中生成的中空结构被破坏；
要点2： 首次采用TEA作为中间调节剂制备中空MnO 2 ，并详细阐述了TEA诱导中空结构的形成机制;
要点3： 中空结构和氧空位同时赋予H-MnO 2 -TEA高的比表面积、高机械稳定性和良好的电子结构，进而提高材料的比电容，增强电导率和反应动力学 ；
要点4： 这项工作提出了一种简便的策略，可以同时构建中空结构和制造含有氧空位的金属氧化物，为高性能的电化学储能与转换装置或电催化剂的设计提供见解。
【内容表述】
图1. MnO 2 和H-MnO 2 -TEA形成的示意图。
图2. MnO 2 和H-MnO 2 -TEA 的形貌和结构表征。(a, c, e) MnO 2 和(b, d, f) H-MnO 2 -TEA的SEM图像和TEM图像。(g, j) H-MnO 2 -TEA的HRTEM图像和(h)(g)中矩形框区域的相应滤波图像，以及(i) (j)中白色矩形区域的IFFT图案。(k) HAADF-STEM图像和Mn、O、N、C的元素映射图像。
图3. (a) XRD图案和(b) MnO 2 和H-MnO 2 -TEA的拉曼光谱。(c) [MnO 6 ]八面体示意图，以及富含[Mn III O 6 ]的扩大的层间距。(d) 氮气吸-脱附等温线和 (e) MnO 2 和H-MnO 2 -TEA的相应孔径分布。高分辨率XPS光谱：MnO 2 和H-MnO 2 -TEA样品的(f) Mn 3s、(g) O 1s和(h) Mn 2 p。(i) MnO 2 和H-MnO 2 -TEA样品中Mn 2+ 、Mn 3+ 和Mn 4+ 百分比的定量统计。(j) EPR光谱和(k) MnO 2 和H-MnO 2 -TEA样品的Tauc图。
图4. MnO 2 和H-MnO 2 -TEA电极的电化学性能。(a) 20 mV s -1 的CV曲线和(b) 1 A g -1 MnO 2 和H-MnO 2 -TEA的GCD曲线。(c) 不同扫描速率下的CV曲线和 (d) H-MnO 2 -TEA不同电流密度下的GCD曲线。(e) MnO 2 和H-MnO 2 -TEA的倍率性能。(f) H-MnO 2 -TEA（橙红色阴影区域）在50 mV s -1 时的CV曲线和电容贡献。(g) H-MnO 2 -TEA不同扫描速率下表面控制电容和扩散控制电容的贡献率。(h) 奈奎斯特图和(i) 在10 A g -1 下对MnO 2 和H-MnO 2 -TEA进行10,000次循环测试的循环稳定性。
图5. H-MnO 2 -TEA//AC ASC器件的电化学性能。(a) H-MnO 2 -TEA//AC ASC器件在放电和充电状态下的示意图。(b) H-MnO 2 -TEA正极和交流负极在20 mV s -1 扫描速率下的CV曲线。(c) 不同电压窗口中的CV曲线（扫描速率：20 mV s -1 ）。(d) 不同扫描速率下的CV曲线和(e) 不同电流密度下的GCD曲线。(f) 倍率性能。(g) 循环性能。(h) Ragone图。(i) 为数字时钟供电的袋式ASC设备的照片。(j) 两个ASC设备串联点亮五个蓝色或红色LED的照片。
图6. (a) MnO 2 和(b) H-MnO 2 -TEA的TDOS和PDOS。(c) 氧空位区域周围的电荷转移和(d) 由于局部内置电场而增强的Na+扩散机制的示意图。(e) Na+在具有氧空位的MnO 2 和H-MnO 2 -TEA 表面上的计算吸附能。(f) MnO 2 和(g) H-MnO 2 -TEA与Ov的差分电荷密度图，其中蓝色和红色球体分别代表Mn和O原子。
【文章链接】
参考文献： Jingzhou Ling, Aimei Gao, Yulan Huang*, Fenyun Yi, Qizhi Li, Gengyi Wang, Yiqin Liu, Dong Shu*, Self-templated and triethanolamine-induced hollow MnO 2 nanoboxes with abundant active Mn 3+ and oxygen vacancies for high-performance Na-ion pseudocapacitors, Chemical Engineering Journal （2022）.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722051403

【作者简介】
第一作者： 凌景洲，华南师范大学2020级物理化学专业博士研究生
通讯作者：舒东 ，博士，教授，博士生导师。1997.7年毕业于厦门大学并获得理学博士学位，导师为时任校长林祖赓教授。2000年-2002年在韩国延世大学从事博士后研究，2003年-2005年在中山大学博士后流动站从事研究。2005年9月起在华南师范大学工作同年被评为教授。广东省新能源材料与器件专业实验教学示范中心负责人，材料物理与化学硕士点、新能源材料与器件本科专业负责人。长期从事化学电源包括超级电容器、锂离子电池、燃料电池、铅酸电池及其相关电池材料的应用基础研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家高技术研究发展计划（863 计划）子项目及其他国家、省部及企业项目40余项。截至到2022年5月，在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Small、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Source、Carbon、Electrochimica Acta国内外学术期刊上发表学术论文180篇，其中被SCI收录144篇，申请国家专利35项,其中发明专利31项，专利中26项获得授权，其中发明专利授权22项，第一发明人授权发明专利15项。多次应邀在国际学术大会上作学术报告。曾获2007年国家教育部科技进步二等奖，2007年广东省环境保护局颁发的环境保护科学技术奖一等奖。广东省材料研究学会理事暨能源与生态环境材料及其应用专业委员会委员，《功能材料》编辑委员会委员，中国仪表功能材料学会“储能与动力电源及其材料专业委员会”委员，中国化学会高级会员、中国物理与化学电源协会、中国材料学会、中国化工学会化工新材料委员会会员， Advanced Functional Materials 、Chemistry of Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Source、Electrochimica Acta等杂志审稿人。

崔屹&鲍哲南最新Nano Lett.:揭秘快充下电流-锂沉积机制的三种关系

2022-10-11

Clare P. Grey院士JACS综述：固态核磁17O NMR在正极表征中的妙用

2022-10-11

安徽大学张朝峰教授 AFM：三维半导体促进锌离子快速沉积

2022-10-11

北理工谭国强教授团队Nano Energy：金属热法同步构筑二硫化钼-石墨烯二维层状复合结构材料助力高容量电化学储能

2022-10-11

云南大学郭洪团队Research:单离子共价有机框架在无枝晶准固态锂金属电池中的应用

2022-10-11

上个月刚发Nature，忻获霖教授再发PNAS、聚焦CO2RR（含招聘信息）

2022-10-10

郑州大学Sci. Adv. 封面文章 - 废旧电池锂资源绿色、可持续回收

2022-10-10

原位构筑刚柔一体的‘ceramer’电解质助力锂金属电池

2022-10-10

河南大学白莹教授团队AFM:原位构筑的氧释放缓冲层和界面离子加速层稳定高压高镍正极

2022-10-10

择优取向的Na2V6O16·3H2O正极材料赋予水系锌离子电池优异电化学性能

2022-10-10

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息