金属氧化物/石墨烯纳米片复合材料展现出前所未有的储能性能 -来自日本筑波国家材料科学研究所

  日本筑波国家材料科学研究所一个小组描述了迄今为止所报道的超晶格类MnO2/石墨烯2D纳米结构的合成。夹在石墨烯层之间的单层金属氧化物纳米片显示出创纪录的储能效果。 

  夹在石墨烯层之间的单层金属氧化物纳米片显示出创纪录的储能效果。纳米材料独特的物理性能是实现高性能储能器件的关键。例如,多层二维(2D)纳米片之间的超窄空间适合于高效的离子插层,即离子可逆插入层间的空间。重要的是,具有近乎理想的纳米层间离子插层空间的纳米材料结构具有较短的扩散距离和大量的活性位点,这是制备高性能储能器件电极材料所必需的。   

 

  然而,尽管对二维材料如石墨烯和过渡金属二硫族化合物进行了广泛的研究,但储能能力并未达到预期。最近,研究也转向探索2D金属氧化物这种具有更多活性位点甚至更短的扩散长度的材料。解决的主要问题包括合成真正的单层金属氧化物,防止化学过程中的“再沉积”,以及提高电极的导电性。

  由日本筑波国家材料科学研究所(NIMS)国际材料纳米结构中心(WPI-MANA)的Takayoshi Sasaki领导的一个小组描述了迄今为止所报道的超晶格类MnO 2/石墨烯2D纳米结构的合成。

  研究人员利用MnO2和石墨烯在溶液中的“静电组装”合成了MnO2/石墨烯超晶格结构,利用了不同材料荷电态的差异:MnO2纳米片带负电,还原石墨烯氧化物(RGO)纳米片为正电荷。这一制备工艺及其结构的两个要点是:MnO2纳米片为真正的单层结构,而MnO2纳米片在石墨烯的原子层之间是“稳定”的。

  MnO2/石墨烯纳米结构被用作Li和Na离子电池的阳极。电化学测量结果显示,LiA和Na储存的比容量分别为0.1Ag-1时的1325和795mAhg-1以及12.8Ag-1时的370和245mAhg-1。研究人员介绍:“更重要的是,Li和Na存储分别达到5000次循环的每循环容量衰减0.004%和0.0078%的超长循环性能,分别超过迄今为止报道的金属氧化物基阳极。我们所描述的超晶格的复合材料是”材料纳米建筑学”的概念。我们采用了两种具有不同性能的2D材料,形成了具有协同特性的先进复合材料,这些材料不会由单一材料展现出来。” 

 

    来源:中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=83313

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中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院上海硅酸盐研究所主要研究领域涵盖了人工晶体、高性能结构与功能陶瓷、特种玻璃、无机涂层、生物环境材料、能源材料、复合材料及先进无机材料性能检测与表征等。

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