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CEJ:紡大萬駿教授團隊在氣相微波放電引入雙金屬協(xié)同構(gòu)型方面取得新進展

來源:武漢紡織大學(xué)      2022-12-09
導(dǎo)讀:近日,武漢紡織大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院、省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室徐衛(wèi)林院士團隊的萬駿教授,與姜會鈺教授、澳大利亞南澳大學(xué)于慧敏研究員合作,在國際頂級期刊Chemical Engineering Journal(IF=16.7)上發(fā)表了題為“Microwave Discharge for Rapid Introduction of Bimetallic-Synergistic Configuration to Conductive Catecholate toward Long-Term Supercapacitor”的論文。武漢紡織大學(xué)為第一單位,碩士生鮮靖林與胡榮為共同第一作者。
金屬-有機框架(MOFs)由于其可調(diào)節(jié)的孔隙大小豐富的氧化還原活性位點,在開發(fā)高性能能量存儲方面展現(xiàn)了巨大潛力。然而,MOFs較差的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性嚴(yán)重限制了電容和循環(huán)穩(wěn)定性。如何提高MOFs的電子遷移率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。雙金屬合金化是一種通過控制晶格中第二種外來金屬原子的化學(xué)計量來優(yōu)化母體材料的物理及化學(xué)性能的有效策略。目前,雙金屬協(xié)同MOFs的合成策略主要依靠溶劑熱法和濕化學(xué)法。雖然這些方法易于合成雙金屬協(xié)同MOFs,但受限的結(jié)構(gòu)可控性酸堿腐蝕性阻礙了高性能雙金屬MOFs進一步發(fā)展。因此,建立一種快速可控引入雙金屬協(xié)同MOFs的新方法極具挑戰(zhàn)性。

氣相微波技術(shù)能顯著減少熱處理所需的時間與碳排放量,滿足日益增長的碳中和發(fā)展需求。該論文報道了一種氣相微波脈沖放電策略,能快速(20秒)且可控地將雙金屬協(xié)同構(gòu)型引入導(dǎo)電MOFs(Ni-Catecholate)(圖1)第二原子(Zn)的金屬絲在微波電磁場中產(chǎn)生的電弧,能使其在具有高介電強度的氬氣中等離子體活化,釋放出大量的高能金屬粒子。當(dāng)濺射到同樣能與微波相互作用產(chǎn)生高溫高能的導(dǎo)電Ni-Catecholate上時,能快速形成雙金屬協(xié)同構(gòu)型的Zn,Ni-Catecholate(Zn,Ni-CAT)
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圖1. 氣相微波脈沖放電法制備Zn,Ni-CAT流程示意圖
與傳統(tǒng)的液相合成策略不同,該氣相微波脈沖放電法打破了酸堿的約束,實現(xiàn)了雙金屬協(xié)同Zn,Ni-CAT中Zn含量的精確調(diào)節(jié),可提供更豐富的氧化還原位點,提高電子遷移率。由于Zn2+離子半徑(0.74 ?大于Ni2+離子半徑(0.69 ?隨著微波脈沖次數(shù)的逐漸增多,Zn,Ni-CAT(100)晶面間距會逐漸增大。當(dāng)4次脈沖后,Zn/Ni的原子比趨于穩(wěn)定,晶格間距達最大1.85 nm,極大改善了離子的傳輸通道(圖2)。
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圖2. 不同微波脈沖時間下雙金屬協(xié)同構(gòu)型變化的示意圖。
為了揭示協(xié)同構(gòu)型的形成機制,該工作分別選取了與微波響應(yīng)行為完全不同的碳布與玻璃兩種襯底進行了機理探究實驗(圖3)。數(shù)據(jù)表明,不同于玻璃界面上均勻沉積的Zn納米顆粒,碳布上并未發(fā)現(xiàn)Zn的含量。這主要因為玻璃為微波透過材料,而導(dǎo)電碳布能在微波下誘導(dǎo)偶極與導(dǎo)電損耗,產(chǎn)生高溫高能使Zn納米粒子升華。因此,排除了物理沉積的影響,Zn是以協(xié)同構(gòu)型的形式穩(wěn)定存在于Zn,Ni-CAT中。
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圖3. (a)微波脈沖放電的機理示意圖;(b)機理驗證實驗。
這種雙金屬構(gòu)型能有效促進金屬節(jié)點的電子耦合,加速電子轉(zhuǎn)移。同時,Zn離子將有利于層間距的擴大,形成高效穩(wěn)定的離子傳輸通道。制備的Zn,Ni-CAT基織物柔性儲能器件具有超高的比電容(422.54 mF cm-2),優(yōu)異的倍率性能和超長循環(huán)穩(wěn)定性(30000次循環(huán)后保留率為91.53%。這種快速、無酸堿限制的、通用氣相微波脈沖放電為快速制備雙金屬導(dǎo)電功能材料開辟了一種新策略。
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圖4. Zn,Ni-CAT電極與其織物柔性器件的電化學(xué)儲能性能
萬駿教授團隊長期從事清潔能源材料與智能紡織品的研究,其中基于氣相微波法對納米材料的優(yōu)化構(gòu)建開展了系列工作Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7263; Adv. Func. Mater. 2018, 28, 1800382; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 14489;Nanoscale 2020, 12, 16245;Carbon 2022, 191, 340;Appl. Catal. B: Environ. 2022, 317, 121728等)。該系列研究進一步拓展了微波技術(shù)在納米材料領(lǐng)域的應(yīng)用。(https://fzcljs.wtu.edu.cn/info/1095/1751.htm
通訊作者簡介
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萬駿,男,1990年生,武漢紡織大學(xué)特聘教授,化學(xué)與化工學(xué)院,應(yīng)用化學(xué)系副系主任。本、博及博士后畢業(yè)于華中科技大學(xué)。省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室徐衛(wèi)林院士團隊骨干成員。獲批湖北省楚天人才計劃、國家留學(xué)基金委全額資助赴新加坡國立大學(xué)訪問學(xué)者。長期從事清潔能源材料新型微波制備與高性能智能紡織品的研究。主持國家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金、省教育廳人才項目、中國博士后科學(xué)基金、國家及省重點實驗室基金共10項。以第一作者及通訊作者身份在Appl. Catal. B: Environ.Adv. Funct. Mater.Chem. Eng. J.J. Mater. Chem. ACarbonCarbohyd. Polym.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇。已授權(quán)中國發(fā)明專利4項。擔(dān)任Front. Mater.Polymers、Nanomater.Front. Nano.客座編輯、Front. Chem.評審編輯、武漢紡織大學(xué)學(xué)報編委新加坡Viser專家?guī)觳牧蠈<椅瘑T會委員、湖北省化學(xué)化工學(xué)會會員

論文鏈接:

Huiyu Jiang?, Jinglin Xian?, Rong Hu?, Shiyun Mi, Liyun Wei, Guangyu Fang, Zhiao Wu, Siqi Xu, Mingzhao Fan, Kaisi Liu, Huimin Yu*, Weilin Xu, Jun Wan*, Microwave Discharge for Rapid Introduction of Bimetallic-Synergistic Configuration to Conductive Catecholate toward Long-Term Supercapacitor. Chemical Engineering Journal 2022, 140804

全文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722062842

參考資料:https://ec.wtu.edu.cn/info/1186/7919.htm



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