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TiO2@graphene核殼納米片的結構的精準合成與表征

針對當前鋰離子電池應用存在鋰儲量不足、成本升高等問題，熊勝林教授課題組積極進行了高性能低成本的新型電池如鈉/鉀離子電池研究工作，并取得了階段性重要進展。最近，該課題組利用回流法將無定型TiO2包覆在g-C3N4片模板上，g-C3N4在真空高溫下分解成氮摻雜的碳包覆在TiO2顆粒的表面形成少層石墨烯包覆的TiO2片狀結構。石墨烯包覆層不僅提高了TiO2的導電性，而且限域其形成10 nm左右顆粒。因其獨特的二維復合結構，作為鈉離子電池負極材料顯示了優(yōu)異的長循環(huán)和高倍率性能。動力學分析發(fā)現，石墨烯包覆的TiO2二維材料在充放電過程中表現出極高的電容行為，有利于快速充放電，提高了其倍率特性；理論模擬證實氮摻雜的石墨烯包覆層顯著降低了鈉離子嵌入的能壘，因而提高了其電化學性能。該材料制備簡單、精準可控、方法普適，為探索具有實際應用的鈉離子電池負極材料提供了一種新的可行方案(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002 /adma.201705788)。

氮氧共摻雜分級多孔硬碳材料的精準制備圖示

針對如何同時提高鉀離子負極材料的比容量和倍率性能這個難題，熊勝林教授課題組采用一種鋁基金屬有機骨架材料作為前驅體，通過簡單的碳化和酸洗法制備出具有高比表面積(1030 m2/g)、氮氧雙摻雜的分級多孔硬碳材料。電化學測試表明其性能遠遠優(yōu)于商業(yè)化硬碳在鉀離子電池中的應用。機理研究表明該電極材料在儲能過程中體現出混合控制機制，其中表面電容控制占主要貢獻。表征結果證明其儲鉀機理：在放電過程中鉀離子首先穿過孔道嵌入到石墨層間，隨著電壓的降低，鉀離子在低電壓區(qū)實現了孔隙的填充和金屬團簇的形成。通過進一步采用預鉀化處理技術，電極材料的首圈庫倫效率提高到90.5%，為鉀離子負極材料甚至是安全性高的鉀金屬負極設計提供了一條新途徑(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201700104)。

MnO@Mn3O4/氮摻雜碳框架復合結構的精準制備與表征

針對如何獲取新型功能化碳基復合材料，熊勝林教授課題組首次采用新型的高核金屬團簇代替常用的MOFs材料，制備了一系列金屬氧化物/碳復合材料。如以合成的高核錳簇為結構模板，精準制備了MnO@Mn3O4核殼納米顆粒嵌于氮摻雜的多孔碳框架的三維復合材料。因MnO@Mn3O4核殼顆粒均勻分布在碳骨架中，既提高了氧化物的導電性，也有利于緩解在充放電過程中的體積效應和應力變化，作為鋰離子電池負極材料表現出了優(yōu)異的儲鋰性能。動力學分析表明界面的電容效應有利于實現長循環(huán)壽命和鋰離子儲存；DFT計算的界面電荷密度分析顯示，多孔碳骨架和MnO@Mn3O4核殼顆粒的有效結合為鋰離子的嵌入/脫出提供了從電解液到NPCF-Mn3O4界面更可行的途徑，該研究思路為制備新型碳基復合材料指明了一個新的方向(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201704244)。

熊勝林教授自2011年9月進校工作以來，主要從事化學、材料與能源領域交叉學科的基礎應用研究。在國家自然科學基金、省杰出青年基金、973項目、山東大學交叉學科培育項目等資助下，以通信作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等頂級刊物發(fā)表影響因子10.0以上SCI論文13篇，他引和評價2200余次，8篇入選ESI高引論文，為學校的人才培養(yǎng)和“雙一流”學科建設作出了貢獻。該系列研究工作是熊勝林教授課題組與化學院孫頔副教授、材料學院馮金奎副教授和中國科技大學林岳博士共同合作完成。

山東大學科學技術研究院利用基本科研業(yè)務費設立了交叉學科培育項目，目的在于促進新思想、新理論、新技術、新方法等在不同學科間的相互發(fā)展與應用，鼓勵不同學科的專家和學者開展深入的交流與合作，產生新的學科增長點。