【人物与科研】福州大学魏明灯课题组：原位限域于氮掺杂碳纳米管的Co5Ge3电极材料用于长寿命锂离子电池

导语

锗基材料作为锂离子电池负极材料具有高的理论比容量，并且相比于同主族的硅负极，锗基材料在充放电过程中会产生较小的体积膨胀，被视为是一种有前景的电极材料。然而，由于其体积膨胀相较于一般的材料依旧较大，使得很多研究者望而却步。纳米工程和复合材料一直被视为解决上述问题的有效方法。近期，有报道称金属有机框架材料（MOFs）作为一种多孔无机-有机杂化材料，在高温煅烧下，过渡金属中心原子可以催化有机配体原位生成碳纳米管。 因此，如何将MOFs材料巧妙地引入锗基材料中来解决其在实际应用中的问题是一个值得探索的课题。近日，福州大学魏明灯教授课题组在该研究方向上取得了新的突破（ACS Applied materials & interfaces, DOI: 10.1021/acsami.0c15942）。

魏明灯教授简介

魏明灯教授，福州大学化学学院博士生导师。1987年毕业于福州大学化工系。1996年获得日本文部省国费奖学金赴国立长崎大学留学，开展钙钛矿型汽车尾气净化催化剂的研究。2000年获得博士学位（工学）后，先后在日本国立东北大学、日本产业技术综合研究所（AIST筑波研究中心）、日本学术振兴机构（JST）从事纳米/多孔材料及其在染料敏化太阳能电池、锂离子电池和费托合成催化剂中应用的研究。2007年回国被聘为福建省“闽江学者”特聘教授，并建立新能源材料研究所开展新型纳米/多孔材料在能量转化与储存中应用的研究（染料敏化太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池、锂/钠离子电池和超级电容器）。近年来在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Enviorn. Sci., Nano Energy, J. Mater. Chem. A, ACS AMI, ChemSusChem, Chem. Commun.等国际期刊上发表SCI论文240多篇，他引7000多次，H指数45，并拥有授权的日本和中国发明专利20多件。

前沿科研成果

原位限域于氮掺杂碳纳米管的Co₅Ge₃电极材料用于长寿命锂离子电池

福州大学魏明灯教授课题组在MOFs及其衍生物在储能材料应用方面做了一系列开创性的工作。一方面，他们创新性的直接利用MOFs材料用于超级电容器、钙钛矿太阳能电池、锂离子电池，并取得了优越的电化学性能（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 16640；J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 19005；Chem.-Eur. J., 2017, 23, 631；Chem. Commun., 2018, 54, 1253；Chem.-Eur. J., 2018, 24, 13362；Chem. Commun., 2020, 56, 1803）。另一方面，他们以MOFs为前驱体，低成本的制备了碳基材料、金属硫化物/碳复合材料应用于染料敏化太阳能电池和锂离子电池（J. Power Sources, 2016, 332, 90；J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 10331）。

近期，他们采用溶剂热的方法，合成了一种二氧化锗纳米颗粒附着于ZIF-67金属框架上的复合物，将此复合物作为前驱体在煅烧之后得到了氮掺杂碳纳米管原位限域的Co₅Ge₃。ZIF-67/GeO₂在低温下受热分解，中心原子Co与Ge在氢气的还原氛围下生成了Co₅Ge₃纳米合金颗粒，随着温度的升高，形成的Co₅Ge₃将有机碳源催化生成了碳纳米管。同时，Co₅Ge₃被碳纳米管限域生长为纳米合金颗粒（图1）。锗与钴合金不仅可以催化碳纳米管原位生成，而且可以增加锗基材料的导电性，并作为直接缓冲物可以有效的缓冲锗在充放电过程中的体积膨胀。与此同时，相互交通的碳纳米管构筑了良好的电子导电与离子传输通道，并能够作为二次缓冲层来抑制体积膨胀，从而改善材料的电化学性能。

图1 Co₅Ge₃/N-CNT的合成示意图（b）SEM图；（c-f） TEM图；

（g）元素分布图。

（来源：ACS Applied materials & interfaces）

电化学测试结果（图2）表明，Co₅Ge₃/N-CNT电极材料展示了优异的储锂性能。在2A g^-1的电流密度下，循环1500圈后仍然有853.7 mA h g^-1的容量保持。

图2 Co₅Ge₃/N-CNT的长循环性能。

（来源：ACS Applied materials & interfaces）

总结：作者通过简单热还原法，以附着有二氧化锗纳米颗粒的ZIF-67为前驱体，合成了原位限域于碳纳米管中的Co₅Ge₃复合材料。将其应用于锂离子电池负极材料，展现出优异的长循环稳定性。作为一种新型的合成碳纳米管的方法，可以有效地改善锗基材料的电化学性能。因此，该合成策略为体积膨胀较大的材料在锂电池中应用提供了一种新的思路。相关结果以“In situ Confined Co₅Ge₃ Alloy Nanoparticles in Nitrogen Doped Carbon Nanotubes for Boosting Lithium Storage”为题发表于ACS Applied materials & interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c15942）上，论文的第一作者是福州大学博士生武俊秀，黄淑萍教授、魏明灯教授为共同通讯作者。