北京航空航天大学杨树斌教授Adv.Energy Mater. ：液相剥离得到的高体积容量钠电材料金属锑纳米片

【引言】

钠电池由于价格低廉，环境友好，且原料来源广泛被人们认为是一种能够代替锂电池的新型能源。然而，目前钠电池依旧面临许多挑战，由于钠离子（1.02埃）大于锂离子半径，且钠离子嵌入和脱出需要更多的能量，因此当把传统锂电池负极材料直接用作钠电材料时，材料储存离子能力会迅速衰减。就目前而言，传统碳负极材料用作钠电池电极材料，其比容量很小（30 – 40 mAh cm^–3）。因此，我们更加关注一些高比容量的金属氧化物（Sn, Sb, SnO₂, Sb₂O₄）。金属Sb纳米片在钠电池中理论容量达到660 mAh cm^–3。

【成果简介】

灰色金属Sb因具有皱褶和六元环等等微观结构，长期以来被人们当作二维类石墨烯材料。金属Sb纳米片具有与石墨烯相似的性能，可作为一种新型高性能负极材料用以钠离子的存储。近日，来自北京航空航天大学杨树斌教授在Adv.Energy Mater.上发文，题名“Liquid-Phase Exfoliated Metallic Antimony Nanosheets toward High Volumetric Sodium Storage”。文中介绍了一种简单高效方法制备金属Sb纳米片，即在异丙醇与特定浓度氢氧化钠溶液中通过液相剥离Sb金属粉末的方法来得到金属Sb纳米片。通过控制Sb与石墨烯不同的比例，从而得到一系列的复合膜。实验表明，石墨烯具有高柔性的特点可抑制金属Sb在离子嵌入中体积膨胀的问题，使金属Sb储钠性能得到显著的提高。优化Sb纳米片与石墨烯膜使其在钠离子存储中具有高体积容量达到1226 mAh cm^–3，以及高倍率性能和高循环稳定性。

【图文导读】

图1液相剥离法制备Sb纳米片示意图

图中所示制备Sb纳米片的过程。把块状Sb金属粉末溶于异丙醇溶液中，通过液相剥离的方法得到超薄Sb纳米片。将石墨烯与所制备的纳米片相混合（比例4：1），通过抽滤和化学还原的方法得到均匀的Sb纳米片-石墨烯复合膜。

图2纯Sb纳米片TEM和AFM图

图a. 和图b. 分别是Sb纳米片的TEM, HRTEM图像。

图c. Sb纳米片AFM图片。

图d. AFM图像中箭头1方向高度分布

图e. AFM图像中箭头2方向高度分布。

从图中可得到Sb纳米片的厚度范围在3.0 nm到4.3 nm之间。

图3 Sb纳米片-石墨烯复合膜光学照片，SEM以及元素分布图

图a. Sb纳米片-石墨烯复合膜的光学照片，表明其具有良好的柔性。

图b. Sb纳米片-石墨烯复合膜的SEM照片，可看出其分散均匀。

图c, d. 具有层堆积结构的Sb纳米片-石墨烯复合膜截面SEM图像。

图e, f, g, h. 复合膜的元素分布图像，Sb, C, O元素在膜上分布均匀。

图4 Sb纳米片，Sb纳米片-石墨烯复合膜的XRD，拉曼以及XPS图

图a, b. 分别是Sb纳米片-石墨烯复合膜，Sb纳米片，石墨烯，块状堆积Sb的XRD和拉曼图谱。

图c. Sb纳米片-石墨烯复合膜的XPS，图中看出样品中并无任何杂质。

图d, e, f. 分别为Sb的3d, C的1s以及O的1s能谱图。

图5 Sb纳米片-石墨烯复合膜作为钠电池电极材料电化学性能图

图a. 首两次电流为0.1 mA cm⁻²的充放电曲线。

图b. 不同负载量在0.1 mA cm⁻²下的循环稳定性。

图c. 负载量为1.6 mg cm⁻²时，电流密度从0.2到4.0 mA cm⁻²充放电曲线。

图d. 不同负载量的倍率性能。

图e 在电流密度4.0 mA cm⁻²时的循环稳定性。

【小结】

杨树斌教授介绍了一种简单高效的液相剥离金属Sb粉末方法得到Sb纳米片。这种超薄的Sb纳米片具有极大比表面，并且可与石墨烯混合构筑均匀的复合膜。在这些复合膜中，由于石墨烯本身具有良好的柔性可抵消Sb的体积变化，并且该复合材料整体密度得到大幅度增加，使得传统Sb电极材料具有高体积比容量，高倍率性能以及良好循环稳定性。因此可推测Sb纳米片在将来能源存储和电子领域具有广泛的应用。

文章链接：Liquid-Phase Exfoliated Metallic Antimony Nanosheets toward High Volumetric Sodium Storage（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700447）

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