《Co3O4納米晶體的缺陷結構及其對電化學儲能行為的影響》是依託清華大學，由孫宏宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Co3O4納米晶體的缺陷結構及其對電化學儲能行為的影響
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：孫宏宇
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在納米尺度設計和合成高性能的電極材料是開發新一代電化學儲能系統的關鍵之一。本項申請將以Co3O4負極材料作為研究對象，採用液相反應、電化學沉積及控制氣氛熱處理等方法製備Co3O4納米結構；從熱力學及動力學角度調控Co3O4的形核與生長，獲得具有不同缺陷結構（如表面結構、氧空位）的Co3O4納米晶體。結合球差校正透射電子顯微鏡和電化學性能測試，在原子尺度上定量研究Co3O4納米晶體的缺陷結構（包括表面結構、氧空位及其濃度）與電化學儲能（儲鋰、儲鈉）性能的關聯，在此基礎上揭示電極材料的缺陷結構對於儲鋰、儲鈉的影響規律，闡明鋰、鈉離子在電極材料中的原子化傳輸機制。本項目的完成對於促進高性能電極材料的研究和發展具有重要意義。
結題摘要
在納米尺度設計和合成高性能材料是開發新一代電化學能源存儲及轉換系統的關鍵之一。本項目以Co3O4材料作為研究對象，採用液相反應方法製備Co3O4納米結構，通過後續液相還原處理，獲得了具有不同氧空位濃度（2.3%，24.8%，32.3%）的Co3O4納米結構。採用多種表征技術詳細研究了液相改性前後Co3O4材料的結構和成分特徵，在原子尺度上定量研究了Co3O4納米晶體的缺陷結構（包括表面結構、氧空位及其濃度）與鋰存儲、電催化析氧性能的關聯，在此基礎上揭示了材料的缺陷結構對於電化學性能的影響規律。當用作鋰離子電池的負極材料時，在放電電流為0.2 C（1 C = 890 mAg−1）循環80次後，其可逆容量分別為237、888、643 mAhg−1；當用作電化學析氧的催化劑時，其起始電位分別為1.54，1.45，1.46 V（vs. RHE）；Tafel斜率分別為137，89，113 mVdec-1。我們將缺陷調控電化學儲能的思路引入到TiO2材料體系中，採用酸及Ni離子協助水解及隨後乙烯氣氛退火方法製備了金紅石型TiO2納米粒子（20-120 nm），像差矯正TEM分析表明，TiO2納米粒子表面存在高密度凹坑（尺寸約為2-5 nm）、表面台階及島狀結構。這些缺陷結構提供了額外的離子存儲位置，在0.5 C (1 C= 335 mAg-1)放電電流條件下，50次循環之後其可逆容量為145 mAhg-1；在5 C的放電電流下，其可逆容量為102 mAhg−1。我們還研究了電極材料的形貌、組裝方式、以及與導電介質的複合對於能源存儲和轉換性能的影響；此外，我們發展了廣義的限域空間誘導納米結構的組裝策略。本項目的結果豐富了納米材料控制生長的內容，對於促進高性能電化學能源材料的研究和發展具有重要意義。
