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[原创]多孔碳纳米纤维上构建碳空心纳米气泡：一种理想的结构支撑材料（2018-07-26 15:17:16）

标签：能源环境 静电纺丝  

近日，复旦大学方方教授和余学斌教授联合澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授(共同通讯作者)在国际顶级期刊Energy StorageMaterials 上成功发表“Carbon Hollow Nanobubbles on Porous Carbon Nanofibers: An Ideal Host forHigh-Performance Sodium-Sulfur Batteries and Hydrogen Storage”的论文。论文第一作者Guanglin Xia。研究人员设计并成功地合成了具有分层结构的PCNF，即通过鼓泡辅助电纺丝然后通过简单的逐步煅烧过程在多孔碳纳米纤维上可控地构建了碳空心纳米气泡。

静电纺丝纳米纤维(NFs)首先通过电纺含有起泡和致孔剂LiN3的聚乙烯醇(PVA)的均匀溶液获得。通过简单调节LiN3的添加量和碳化过程中的加热速率，可控地制造含有微孔，中孔和大孔的PCNF，同时在其表面上形成直径为10-60nm的碳空心纳米气泡(CHNB)，这为硫的体积膨胀提供了大的空隙空间。此外，构成连续电子传导通路的集成1D PCNF可以有效促进隔离CHNB容纳的绝缘S纳米颗粒内的快速电子和离子传输。简而言之：通过一般静电纺丝策略在多孔碳纳米纤维(CHNBs @ PCNFs)上可控地制造碳中空纳米气泡，其中金属叠氮化物充当起泡剂和致孔剂。碳化后金属叠氮化物分解产生的强烈N2释放引起的强排斥力导致多孔碳纳米纤维(PCNF)的均匀形成，同时形成碳中空纳米气泡(CHNB)在表面上的原位生长。密度泛函理论(DFT)计算验证了CHNBs@PCNFs对NaPSs的强化学吸附能力，可有效缓解NaPSs的穿梭效应。所制备的CHNBs@PCNF具有较强的多硫化钠吸附能力和较高的电导率，是常温钠硫电池中理想的硫载体。因此，当使用CHNBs @ PCNFs作为Na-S电池的硫主体时，S(CHNBs @ PCNFs)正极表现出显着改善的硫利用率，以及良好的循环稳定性和倍率能力。此外，多孔结构和CHNBs @ PCNFs的催化作用使其可以作为MgH2纳米颗粒的功能性结构框架，使得MgH2在低至250℃的温度下，仅需要15分钟即可完全氢化。

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图1 CHNBs @ PCNF制备示意图及其作为室温硫化钠电池硫载体的应用。黄色，粉红色和红色的球分别代表LiN3，Li3N和S粒子。

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图2 (a)电纺PVA-LiN3纳米纤维的SEM图像。(b，c)煅烧电纺PVA-LiN3纳米纤维后的SEM图像。(d，e)在不同放大倍数下合成的CHNBs@PCNF的TEM图像。(d)和(e)的插图分别显示CHNBs@PCNFs的SAED图案和CHNBs@PCNFs的放大图。 CHNBs @ PCNFs的XPS谱图(f)和高分辨N 1s频谱(g)。

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图3 (a)纯NaPS溶液(I)和暴露于不同物质后的溶液(II)CNF和(III)CHNBs@PCNFs中的UV-vis光谱和相应照片(插图)(溶液后拍摄的照片为静置30分钟)。(b)纯碳，O掺杂碳，N掺杂碳和N，O共掺杂碳与不同NaPSs分子之间的结合能比较。 Na2S4(c)和Na2S6(d)分子与N，O共掺杂碳相互作用的原子位置和电荷密度图。灰色，白色，蓝色，黄色，紫色和红色的球分别代表C，H，N，S，Na和O原子。 S /(CHNBs @ PCNF)的(e)SEM和 TEM(f)图像。(g)S /(CHNBs @ PCNF)的相应元素分布图。

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图4 Na-S电池中S /(CHNBs @ PCNFs)电极的电化学性能。(a)0.2 mV/s的扫描速率下的前3次CV。(b)在0.1C的电流密度下，前3次循环的充放电曲线。(c)在0.1C的电流密度下循环性能。(d)倍率性能。(e)在2C的电流密度下循环性能。

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图5 (a)通过氢化诱导的自组装策略制备MgH2 /(CHNBs @ PCNF)的示意图。灰色，白色和黄色球体分别是C，H和Mg原子。MgH2/(CHNBs @ PCNF)的SEM (b)和TEM (c) 图(其中c的插图显示HRTEM图像)。(d)MgH2 /(CHNBs @ PCNFs)的相应元素分布图。

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图6 TGA(a)和MS(b)的MgH2 /(CHNBs @ PCNFs)曲线，其中包括块体MgH2，MgH2和CHNBs @ PCNFs(BM MgH2  PCNFs)的球磨(BM)复合材料和MgH2 NCs。MgH2 /(CHNBs @ PCNFs)在不同温度下的等温脱氢(c)和氢化(d)曲线。

研究人员发展了可用于低成本大量生产具有复杂结构的分层多孔碳纳米纤维的的鼓泡辅助静电纺丝方法。通过简便地改变分解速率和起泡剂的量，可以实现碳中空纳米气泡在碳纳米纤维上的可控制备。由于CHNBs @ PCNFs具有优异的导电性以及对多硫化物的强化学吸附能力，CHNBs @ PCNFs已被证明是室温硫化钠电池的理想硫主体。所制备的S /(CHNBs @ PCNFs)正极在0.1C时具有913mAh/g的高可逆容量，并且表现出高达400次循环的稳定循环寿命。当CHNBs @ PCNFs用作MgH2 NCs的结构支持材料时，由于CHNBs @ PCNFs的催化作用和MgH2 NCs的均匀纳米化，MgH2可在低至250℃的温度下，在15分钟内完成氢化反应。这种独特的合成概念为多功能多孔碳材料的制备合成提供了一条新途径，并且具有低成本工业生产一维纳米结构碳材料的巨大潜力。

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文章来源：易丝帮