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《Cell》子刊《Chem》刊發我院張校剛教授團隊研究成果

時間:2019-06-21來源:河南11选5网點擊:213

  近日,我校材料科学與技术学院张校刚教授课题组與美国的俄勒冈州立大学、加州大学河滨分校、阿贡国家实验室等中美联合研究团队在超高功率储能器件方面取得重要研究进展。相关研究成果(Ultra-fast NH4+ Storage: Strong H Bonding between NH4+ and Bi-layered V2O5”)以我校为第一单位发表在《Cell》子刊《Chem》(化学类顶级期刊;IF=14.104)上,第一作者是我校材料科学與技术学院的博士研究生董升阳。

迄今爲止,在電池和超級電容器的研究方面,研究者把大量的精力放在了電極材料的設計和制備上,盡管取得了重大研究進展,但對電極材料和儲荷離子之間相互作用的理解仍然十分有限,特別是對于锂離子、鈉離着c姵刂外的電化學儲能體系更是知之甚少。然而,儲荷離子-電極材料相互作用可能會對電化學儲能器件的比容量、倍率性能和循環壽命等性能産生深遠的影響。

鑒于此,該研究以具有雙層結構的V2O5作爲模型材料研究了NH4+可逆的嵌入行爲,與類似大小的K+存儲相比,NH4+在雙層V2O5中的存儲具有更大的比容量、更高的倍率性能和更好的循環穩定性。他們發現這與NH4+和雙層V2O5之間較強的氫鍵有關,並通過實驗和理論計算得到了驗證。

實驗上,傅裏葉變換紅外(FTIR)光譜和固態核磁共振(NMR)譜等表征技術證實了NH4+與雙層V2O5之間氫鍵的存在,而K+與雙層V2O5之間不可能存在氫鍵。他們還采用密度泛函理論對NH4+K+在雙層V2O5中的儲荷機制進行了研究。研究發現,與球形的K+在雙層V2O5中的擴散方式不同,四面體構型的NH4+能夠通過扭動和旋轉保持與V2O5的氫鍵結構的方式進行擴散。具體地,NH4+通過扭動斷開其中一個氫鍵,然後在前進方向形成新的氫鍵,同時其他的三個N-H鍵保持不變。他們把這種特殊的離子擴散方式稱之爲“monkey bars swinging。進一步的研究發現,NH4+V2O5之間存在電荷轉移現象,即V2O5通過氫鍵將0.17個電子轉移到每個NH4+,因此可以將NH4+V2O5中的存储看作是一种“化学吸附”行为,但是这种“化学吸附”并不仅仅发生在电极材料的外表面,主要是发生在雙層V2O5晶體結構內部。他們將這種化學吸附引起的嵌入赝電容稱之爲“CI pseudocapacitance

該研究工作旨在深入理解大容量、高功率儲能器件中儲荷離子和電活性材料之間化學鍵合的重要性,從而爲高性能電化學儲能器件的設計提供新思路。



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南京航空航天大学材料科学與技术学院

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