【能源】锐钛矿二氧化钛表面氧化还原钠离子储存
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钠离子电池被认为是非常有前景的电池市场补充品，正在推动着新一轮储能技术发展。二氧化钛具有低成本、安全稳定，作为钠电负极展现出了优异的电化学性能。但是，关于二氧化钛的储钠机理还存在着许多争议，目前存在两种观点：一种认为氧化钛储钠是嵌入型反应，另一种认为氧化钛储钠过程会伴随着无定形化，两种理论都有可靠的证据支持。此外，研究还发现氧化钛储钠过程存在赝电容响应，但关于赝电容反应的来源没有明确的探讨。因此，目前迫切需要对二氧化钛的本征储钠机理进行深入研究，解决存在的争议。
厦门大学魏湫龙
副教授与
加州大学洛杉矶分校Bruce Dunn
教授合作，系统地研究了
不同颗粒尺寸Ti
O
2
(A)的储钠过程的电化学行为及结构演化过程，提出了表面氧化还原储钠反应模型，揭示了颗粒尺寸和比容量之间的关系，并成功解释了以往报道中Ti
O
2
(A)块体和纳米材料之间储钠结果的差异。
研究发现，在首次嵌钠过程中，晶态Ti
O
2
(A)表面3-5 nm厚度层发生了无定形化，并在后续反应过程中一直保持。当颗粒尺寸远大于表面无定形层厚度时，XRD结果始终表现为晶态结构，而当颗粒尺寸小于10 nm，XRD衍射峰的消失。基于循环伏安法的动力学分析表明，Ti
O
2
(A)储钠为本征的表面氧化还原反应，展现出赝电容反应动力学特征，且该行为与其颗粒尺寸无关。当Ti
O
2
(A)电极在高负载的情况下，其反应仍基于快速的表面赝电容储钠机制。
图1. 不同颗粒尺寸Ti
O
2
(A)储钠机理示意图及相应的颗粒尺寸、表面无定形层反应厚度及储钠比容量模型。图片来源：
Nat. Commun.
得益于可逆的表面氧化还原储钠机制，Ti
O
2
(A)-10 nm负极展现了较高的比容量和倍率性能，在4 A
g
-1
下依然有接近160 mAh
g
-1
的容量。并且，Ti
O
2
(A)-10 nm在2 A
g
-1
可稳定循环5000圈。在标准氢电极电位下，能量密度可以达到300 Wh k
g
-1
。总而言之，作为钠离子电池负极材料，Ti
O
2
(A)具有高倍率、优异的循环稳定性和极小的过电势等特点，在高功率储钠器件应用中具有独特优势。
图2. Ti
O
2
纳米颗粒的储钠电化学性能。来源：
Nat. Commun
.
这一成果近期发表在
Nature Communications
上，文章通讯作者是厦门大学
魏湫龙
副教授和加州大学洛杉矶分校
Bruce Dunn
教授。
Surface-redox sodium-ion storage in anatase titanium oxide
Qiulong Wei, Xiaoqing Chang, Danielle Butts, Ryan DeBlock, Kun Lan, Junbin Li, Dongliang Chao, Dong-Liang Peng & Bruce Dunn
Nat. Commun
.,
2023
,
14
, 7, DOI: 10.1038/s41467-022-35617-3
厦门大学材料学院副教授，福建省高层次引进人才，厦门大学南强青年拔尖人才。2016年博士毕业于武汉理工大学材料学院，导师为张清杰教授和麦立强教授。2016-2019年在美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料系Bruce Dunn教授课题组从事博士后研究工作。主要从事高比能与高功率电化学储能材料与器件的研究。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目，发表SCI论文110余篇，包括
Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater.
等，多篇论文入选ESI高倍引论文、被选为封面亮点报导。获2021年中国新锐科技人物知社特别奖，入选福建省科协青年人才托举工程。
https://www.x-mol.com/university/faculty/319300
https://www.x-mol.com/university/faculty/40449
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