超燃！他，发表第79篇Angew！

成果介绍

多硫化锂(LiPSs)的物理化学限制与催化转化是抑制Li-S电池穿梭效应和提高Li-S电池氧化还原动力学的关键。

新加坡南洋理工大学楼雄文教授、河南师范大学高书燕教授等人采用NH₄Cl辅助热解策略，设计并合成了由薄外壳和多孔内网组成的单原子Ni位点修饰的介孔氮掺杂碳，命名为Ni-NC(p)，并作为Li-S电池的多功能硫宿主。

Ni-NC(p)在结构和组成上具有多种优点。首先，富含介孔的氮掺杂碳骨架不仅有利于电子/离子的传输，还能确保足够的S负载量和提高S的利用率，并具有适应体积膨胀的能力。其次，富含N的外层和内部介孔可以通过物理约束和化学吸附两种方式捕获LiPSs，减少了LiPSs向外扩散，从而抑制了不良的穿梭效应。第三，固定在Ni-NC(p)上的单原子Ni位点可以通过催化作用、在充放电循环过程中加速LiPSs的转化。因此，Ni-NC(p)/S阴极在比容量、倍率性能和长期循环稳定性等方面都明显优于其他正极。

相关工作以Mesoporous N-rich Carbon with Single-Ni Atoms as a Multifunctional Sulfur Host for Li-S Batteries为题在Angewandte Chemie International Edition上发表论文。

部分工作介绍可见：他，刚刚发表第77篇Angew！

楼雄文&谷晓俊，最新Angew.！

图文介绍

图1. Ni-NC(p)的制备示意图

Ni-NC(p)的制备简要如下：首先，将NH₄Cl/Zn(NO₃)₂水溶液与2-甲基咪唑/十六烷基三甲基溴化铵水溶液混合，生长ZIF-8(N) (N指NH₄Cl)，在此过程中NH₄Cl被困在ZIF-8(N)的多孔骨架中。然后，用少量的单宁酸(TA)处理ZIF-8(N)，在ZIF-8(TA/N)上通过化学腐蚀、配位形成一层TA-Zn络合物，得到ZIF-8(TA/N)。ZIF-8(TA/N)经过高温热解后，演化为由薄的外层和多孔的内部网络组成的富氮介孔碳骨架(NC(p))。最后，通过简单退火策略，将单原子Ni被锚定在NC(p)上，形成Ni-NC(p)。

图2. ZIF-8(TA/N)的形貌和组成表征

FESEM和TEM图像显示，ZIF-8(TA/N)呈截断菱形十二面体(TRD)形貌，尺寸分布均匀(约190 nm)。EDX光谱元素映射图显示Cl、N、Zn元素均匀分布在ZIF-8(TA/N)上，说明NH₄Cl在ZIF-8中均匀掺入ZIF-8 (TA/N)。根据EDX光谱分析，估计ZIF-8(TA/N)中的Cl含量约为0.1 at%，相比之下，ZIF-8(TA)中没有检测到Cl的信号。这些结果表明，NH₄Cl均匀嵌入ZIF-8(TA/N)的骨架中，而不影响其晶体结构和形貌。

ZIF-8(N)与TA在甲醇溶液中混合后，TA分子的质子首先腐蚀ZIF-8(N)纳米颗粒的表面，释放出游离的Zn²⁺离子，由于TA与金属Zn²⁺离子的螯合能力强，Zn²⁺离子迅速被TA螯合，从而在ZIF-8(TA/N)表面形成TA-Zn层。ZIF-8(TA/N)的比表面积略低于原始ZIF-8，这与NH₄Cl的掺入和TA-Zn层的修饰有关。

图3. Ni-NC(p)的电镜表征

ZIF-8(TA/N)经高温碳化后，得到NC(p)。NC(p)显示出薄的外壳以及内部多孔的框架。结果证实，ZIF-8(TA/N)中NH₄Cl的结合对NC(p)的热解产物形成丰富的介孔结构起决定性作用。基于上述观察，提出了介孔NC(p)的形成机理。在热解过程中，ZIF-8(TA/N)中的NH₄Cl会分解为NH₃和HCl。因此，生成的酸性HCl会部分腐蚀ZIF-8(TA/N)的骨架，在最终产物NC(p)中形成丰富的介孔。另外，在NC(p)上观察到的薄壳应该是从ZIF-8(TA/N)上的Zn-TA层热解而来。

NC(p)中具有丰富的N含量(10.2 at%)，可作为锚定Ni原子的位点，从而得到Ni-NC(p)。Ni-NC(p)完美地保留了NC(p)的结构特征，包括TRD形状、尺寸分布均匀、介孔性质和薄壳结构。HAADF-STEM图像证实了Ni物种呈现良好的分散。基于ICP-OES测试结果，Ni-NC(p)中Ni的负载量达到了1.7 wt%。

图4. N₂吸脱附曲线与孔径分布、XPS分析

Ni-NC(p)的N₂吸脱附曲线显示出典型的IV型曲线特征，相应的孔径分布也证实了Ni-NC(p)具有丰富的介孔结构。计算得到Ni-NC(p)的比表面积和总孔容分别为428.8 m² g^-1和1.1 cm³ g^-1。大量的介孔可以为硫的负载提供较大的空间，有利于硫的利用和LiPSs的限制。

图5. Ni-NC(p)/S正极的电化学性能

文献信息

Mesoporous N-rich Carbon with Single-Ni Atoms as a Multifunctional Sulfur Host for Li-S Batteries，Angewandte Chemie International Edition，2022.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202212680

原创文章，作者：华算老司机，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2022/10/01/d581de23c1/

超燃！他，发表第79篇Angew！

相关推荐

发表回复