嵌入超低含量ZnO量子點(diǎn)的納米片狀多孔碳ZnOQDs@C復(fù)合材料的制備

報(bào)道了一種嵌入超低含量ZnO量子點(diǎn)的納米片狀多孔碳作為高性能鋰電池負(fù)極材料。測(cè)試結(jié)果表明，ZnOQDs@C顯示出超高的比容量，0.2 A g-1電流密度下的放電比容量高達(dá)到2300 mAh g-1；5 A g-1條件下循環(huán)3000圈依然有700 mAh g-1的比容量，而具有較高ZnO含量的ZnO@C復(fù)合材料和無(wú)ZnO的純活性碳材料均無(wú)法達(dá)到這樣的**性能。分析表明，超大比表面積和微含量ZnO QDs摻雜的協(xié)同效應(yīng)共同提升了ZnOQDs@C材料的電化學(xué)性能。

ZnOQDs@C復(fù)合材料的制備

以乙酰丙酮鋅為原料，當(dāng)將其加入乙二醇溶液中會(huì)發(fā)生縮醛反應(yīng)，釋放出Zn2+。這些Zn2+隨后會(huì)與模板劑1,2,3,4-丁烷四羧酸配位，得到含Zn2+的有機(jī)配位結(jié)構(gòu)前軀體材料。在高溫煅燒過(guò)程中，含Zn2+的官能團(tuán)生成ZnO，隨后ZnO被C還原為Zn，而Zn又可在高溫下升華，留下大量孔洞，形成了多孔結(jié)構(gòu)。此外，多孔碳材料內(nèi)還會(huì)殘余微量的ZnO量子點(diǎn)，形成ZnOQDs@C復(fù)合材料。分別在1000℃、1100℃、1200℃下高溫處理前軀體材料，得到樣品S1000、S1100和S1200。

▲圖1. ZnOQDs@C復(fù)合材料的制備流程示意圖。

(A)結(jié)構(gòu)變化示意圖；(B)化學(xué)反應(yīng)原理示意圖。

ZnOQDs@C復(fù)合材料的表征分析

SEM圖片顯示S1100為長(zhǎng)度約500 nm的納米片狀結(jié)構(gòu)。TEM圖片表明S1100厚度較薄。HRTEM證明了所制備的碳材料為無(wú)定型碳，但在無(wú)定型結(jié)構(gòu)內(nèi)部有結(jié)晶度較好、大小約5 nm的ZnO QDs存在。這些結(jié)果說(shuō)明S1100材料是由無(wú)定型碳和ZnO QDs共同構(gòu)成的。

▲圖2. S1100的微觀結(jié)構(gòu)特征。

(A-B) S1100的SEM圖像；(C-D) S1100的TEM圖像；(E-F) S1100的HRTEM圖像。

作者隨后對(duì)ZnOQDs@C材料進(jìn)行了定性和定量分析。從XRD圖譜中可知，ZnO的峰強(qiáng)隨著煅燒溫度的升高逐漸減弱，這說(shuō)明ZnO的含量可通過(guò)煅燒溫度進(jìn)行調(diào)控。XPS分析結(jié)果表明ZnO的含量隨刻蝕深度的增加逐漸升高。在20nm刻蝕深度下，Zn表現(xiàn)出高達(dá)1.58%的原子比，說(shuō)明ZnO QDs主要分布于復(fù)合材料的內(nèi)部。從氮?dú)馕�脫附等溫曲線可以看出S1100和S1200的比表面積皆大于2000 m² g^-1，而S1000的比表面積相對(duì)較小。三個(gè)樣品的孔徑大多分布于2nm左右，非常有利于增加贗電容的容量貢獻(xiàn)。通過(guò)建立比表面積、Zn含量、溫度三個(gè)參數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，室溫到800℃，材料比表面積緩慢增；800℃到1100℃材料比表面積急劇增加，但伴隨著Zn含量的急劇下降，這證明Zn元素的升華直接導(dǎo)致了材料比表面積的增大，并隨著溫度升高較終趨于穩(wěn)定。

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小編zhn2021.03.30