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近日，北京大學(xué)工學(xué)院鄒如強(qiáng)教授課題組在制備硼氮共摻雜碳納米管材料方面取得新進(jìn)展。他們成功制備了一種新型硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe₂納米材料，并對(duì)其儲(chǔ)鈉機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究，該材料作為鈉離子電池負(fù)極材料展現(xiàn)出高容量和高倍率的性能。相應(yīng)成果以“Encapsulating Trogtalite CoSe₂ Nanobuds into BCN Nanotubes as High Storage Capacity Sodium Ion Battery Anodes”為題，在線發(fā)表于Advanced Energy Materials（《先進(jìn)能源材料》）。

近年來(lái)，鄒如強(qiáng)課題組在制備硼氮共摻雜碳納米管包覆金屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，并取得系列進(jìn)展。他們開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單溶液-熱解法制備硼氮共摻雜碳納米管材料（BCN），并研究了形貌控制機(jī)制，該材料展現(xiàn)出優(yōu)越的電催化氧還原性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475）；引入三聚氰胺海綿基底，實(shí)現(xiàn)了該材料的大規(guī)模制備，并成功用于超級(jí)電容器（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 21225-21230）；進(jìn)一步在合成過(guò)程中利用MOF前驅(qū)體引入金屬元素，并通過(guò)熱解磷化方式成功制備出硼氮共摻雜碳納米管包覆磷化鈷納米材料，展現(xiàn)出良好的氫析出性能（Adv. Energ. Mater., 2017, 1601671.）；通過(guò)精確形貌控制，成功制備了系列硼氮共摻雜碳納米管包覆中空Ni、Co、Mn等金屬氧化物材料并用于高性能鋰離子電池（Adv. Mater. 2018, 30, 1705441）。研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science發(fā)表題為“Recent advances in confining metal-based nanoparticles into carbon nanotubes for electrochemical energy conversion and storage devices”（doi：10.1039/C9EE00315K）的綜述文章，總結(jié)了目前碳納米管包覆金屬納米復(fù)合材料在電化學(xué)能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的進(jìn)展。

1. 硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe2材料合成示意圖

由于地殼中鈉的豐度較高及成本低等優(yōu)勢(shì)，可充電鈉離子電池(NIBs)在儲(chǔ)能領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，展現(xiàn)出替代鋰離子電池的巨大潛力。然而由于鈉離子更大的離子半徑，導(dǎo)致其電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程更加緩慢，電極材料循環(huán)穩(wěn)定性往往更差，因此，開(kāi)發(fā)具有良好性能的電極材料以及深入研究鈉離子電池的儲(chǔ)鈉機(jī)理顯得十分必要。過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMD）由于其低成本以及優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)被認(rèn)為是理想的電極材料，其中方硒鈷礦型CoSe₂由于其晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成為兩個(gè)Se原子嵌入到Co的晶格結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于快速鈉離子存儲(chǔ)具有十分關(guān)鍵的作用。基于此，課題組通過(guò)簡(jiǎn)單的熱解和硒化方法成功制備出硼氮共摻雜碳納米管包覆的納米芽狀方硒鈷礦型CoSe₂納米材料 （圖1）。這種材料展現(xiàn)出超高容量，循環(huán)100次后，在電流密度100 mA g⁻¹時(shí)仍然具有580 mA h g⁻¹的高容量，同時(shí)具有超高的倍率性能和穩(wěn)定性，在電流密度8A g⁻¹時(shí)循環(huán)4000圈后仍能維持98%的容量（圖2）。他們通過(guò)表征儲(chǔ)鈉的電化學(xué)過(guò)程以及電池循環(huán)后材料形貌的變化并結(jié)合理論計(jì)算分析，結(jié)果表明硼氮共摻雜的碳納米管和CoSe₂間的協(xié)同作用大大增強(qiáng)了鈉離子電池的容量和穩(wěn)定性。

圖2. 電池循環(huán)后材料結(jié)構(gòu)分析

該工作第一作者為工學(xué)院博士后HassinaTabassum，通訊作者為鄒如強(qiáng)。這項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家青年拔尖人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

轉(zhuǎn)自北京大學(xué)新聞網(wǎng)