近日，我院熊胜林教授在我校交叉学科等基金的支持下，组织化学、材料、能源等有关学科力量，在碳基功能材料的精准制备与储能研究中获系列重要进展，2017年连续在材料领域的顶级期刊《先进材料》(Adv. Mater., IF=19.79) 3篇、《先进能源材料》(Adv. Energy. Mater., IF=16.721)2篇、《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater., IF=12.124) 1篇，共发表6篇高水平研究论文。
针对当前锂离子电池应用存在锂储量不足、成本升高等问题，熊胜林教授团队积极进行了高性能低成本的新型电池如钠/钾离子电池研究工作，并取得了阶段性重要进展。最近，该课题组利用回流法将无定型TiO2包覆在g-C3N4片模板上，g-C3N4在真空高温下分解成氮掺杂的碳包覆在TiO2颗粒的表面形成少层石墨烯包覆的TiO2片状结构。石墨烯包覆层不仅提高了TiO2的导电性，而且限域其形成10 nm左右颗粒。因其独特的二维复合结构，作为钠离子电池负极材料显示了优异的长循环和高倍率性能。动力学分析发现，石墨烯包覆的TiO2二维材料在充放电过程中表现出极高的电容行为，有利于快速充放电，提高了其倍率特性；理论模拟证实氮掺杂的石墨烯包覆层显著降低了钠离子嵌入的能垒，因而提高了其电化学性能。该材料制备简单、精准可控、方法普适，为探索具有实际应用的钠离子电池负极材料提供了一种新的可行方案。研究成果发表在 (Adv. Mater., 2017, 29,DOI:10.1002/adma.201705788)。
图1. TiO2@graphene核壳纳米片的结构的精准合成、表征与倍率性能
针对如何同时提高钾离子负极材料的比容量和倍率性能这个难题，熊胜林教授课题组采用一种铝基金属有机骨架材料作为前驱体，通过简单的碳化和酸洗法制备出具有高比表面积 (1030 m2/g)、氮氧双掺杂的分级多孔硬碳材料。电化学测试表明其性能远远优于商业化硬碳在钾离子电池中的应用。机理研究表明该电极材料在储能过程中体现出混合控制机制，其中表面电容控制占主要贡献。表征结果证明其储钾机理：在放电过程中钾离子首先穿过孔道嵌入到石墨层间，随着电压的降低，钾离子在低电压区实现了孔隙的填充和金属团簇的形成。通过进一步采用预钾化处理技术，电极材料的首圈库伦效率提高到90.5%，为钾离子负极材料甚至是安全性高的钾金属负极设计提供了一条新途径。研究成果发表在 (Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201700104)。
图2. 氮氧共掺杂分级多孔硬碳材料的精准制备图示
针对如何获取新型功能化碳基复合材料，熊胜林教授课题组首次采用新型的高核金属团簇代替常用的MOFs材料，制备了一系列金属氧化物/碳复合材料。如以合成的高核锰簇为结构模板，精准制备了MnO@Mn3O4核壳纳米颗粒嵌于氮掺杂的多孔碳框架的三维复合材料。因MnO@Mn3O4核壳颗粒均匀分布在碳骨架中，既提高了氧化物的导电性，也有利于缓解在充放电过程中的体积效应和应力变化，作为锂离子电池负极材料表现出了优异的储锂性能。动力学分析表明界面的电容效应有利于实现长循环寿命和锂离子储存；DFT计算的界面电荷密度分析显示，多孔碳骨架和MnO@Mn3O4核壳颗粒的有效结合为锂离子的嵌入/脱出提供了从电解液到NPCF-Mn3O4界面更可行的途径，该研究思路为制备新型碳基复合材料指明了一个新的方向。研究成果发表在 (Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201704244)。
图3. MnO@Mn3O4/氮掺杂碳框架复合结构的精准制备与表征
熊胜林教授自2011年9月进校工作以来，主要从事化学、材料与能源领域交叉学科的基础应用研究。在985学科建设经费、威廉希尔中文网站平台交叉学科培育项目、国家自然科学基金面上项目、省杰出青年基金和973子课题（参与）的资助下，以通信作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、EnergyEnviron. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等顶级刊物发表影响因子10.0以上SCI论文13篇，他引和评价2200余次，8篇入选ESI高引论文，为学校的人才培养和双一流学科建设和发展做出了积极的贡献。
本年度系列研究工作是在威廉希尔中文网站平台交叉学科等基金资助下，熊胜林教授组与化学院孙頔老师、材料学院冯金奎老师和中国科技大学林岳博士共同合作完成。
