Nanoscale：VPO4/多孔碳复合材料的设计制备及其储锂/钠性能研究

磷酸钒（VPO₄）因其价格低、结构稳定、理论容量高等优点被广泛用作电池的负极材料。然而，与其它磷酸盐类似，VPO₄具有本征低的电子导电率和离子传导能力，且在与Li⁺/Na⁺离子结合时，仍会诱导产生一定的体积膨胀，从而导致容量衰减，限制了其作为负极材料在储能领域的应用。

为了解决以上问题，洛阳师范学院刘献明教授课题组以柠檬酸为交联剂、还原剂和碳源，通过有机-无机杂化水凝胶及随后的高温煅烧原位构筑三维分层级电子导电碳骨架网络，VPO₄均匀的嵌入在三维导电网络中，且以P-C键的形式与碳骨架结合，进而构筑具有稳定的界面的3DHP-VPO₄@C复合电极材料，不仅能够提高复合材料的电子导电性，也能缓冲充放电过程出现的体积膨胀（图1）。电化学测试表明3DHP-VPO₄@C具有优异的储锂/钠性能、较低的电荷转移阻抗以及稳定的三维电子导电结构。特别是作为锂电负极时，在0.1 A g^-1电流密度下，其首次放点比容量能达到957 mA h g^-1，5 A g^-1电流密度下，放电比容量为345.3 mA h g^-1（图2）。优异的电化学性能主要归功于：1）通过一次粒子纳米化、二次粒子构筑三维高效电子导电网络，能够提高VPO₄@C复合电极材料的电子导电性和结构稳定性；2）P-C键的存在能够增加复合电极材料的电子导电性、界面稳定性，同时也能防止钠离子脱/嵌过程中的颗粒团聚及电子导电结构破裂。

图1. 3DHP-VPO₄@C的制备示意图

图2. 3DHP-VPO₄@C的电化学性能图

以上工作近期发表在Nanoscale 上，洛阳师范学院郭东磊博士为本文第一作者，刘献明教授和香港科技大学Jang-Kyo Kim教授为共同通讯作者。

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Hydrogel-derived VPO₄/porous carbon framework for enhanced lithium and sodium storage

Donglei Guo, Mengke Yang, Yicong Li, Yuwen Xue, Guilong Liu, Naiteng Wu, Jang-Kyo Kim*, Xianming Liu*

Nanoscale, 2020, 12, 3812-3819, DOI: 10.1039/D0NR00460J

导师介绍

刘献明，男，教授，洛阳师范学院食品与药品学院院长，1996年7月毕业于桂林理工大学工业分析专业，获工学学士学位，2003年7月毕业于新疆大学物理化学专业，获理学硕士学位，2006年7月毕业于中国科学院理化技术研究所，获物理化学专业理学博士学位，2008年8月至2010年1月在香港科技大学做访问学者，河南省高校青年骨干教师，洛阳市青年科技专家。近年来在Prog. Mater. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nanoscale Horiz.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale 等国际知名期刊发表论文60余篇。文章他引用次数2788次，H指数为28，有2篇论文入选为ESI高被引论文，单篇最高被引超200次。主持并完成了国家自然科学基金面上项目1项，河南省科技攻关项目3项. 邮箱：myclxm@163.com。

洛阳师范学院电化学课题组主要成员：

毋乃腾，博士，副教授，2016年毕业于四川大学材料学专业，获工学博士学位。主要从事新型能源材料方面的科学研究；近5年来以第一作者身份在《J. Mater. Chem. A》、《ACS Appl. Mater. Interfaces》、《Nanoscale》、《Electrochim. Acta》等国际期刊发表SCI论文9篇，论文他引300余次。主持国家自然科学青年基金、河南省科技厅科技攻关、河南省高等院校重点研发计划项目各1项。邮箱：wunaiteng@gmail.com，wunaiteng@lynu.edu.cn。

刘贵龙，博士，副教授，2011年毕业于中国矿业大学（北京），2016年获天津大学工学博士学位。主要从事功能纳米材料、锂离子和钠离子电极材料的相关研究工作。目前在《Nanoscale Horiz.》、《Fuel》、《Fuel Process. Technol.》、《J. Electrochem. Soc.》、《Appl. Surf. Sci.》等国际权威刊物上发表SCI论文10余篇，论文他引260余次。主持国家自然科学青年基金、河南省科技厅科技攻关项目一项。邮箱：glliu@tju.edu.cn。

郭东磊，博士，讲师，2014年毕业于河南师范大学化学系，2018年毕业于北京理工大学化学专业，获博士学位。主要从事锂离子电池正极材料以及柔性复合钠离子电池电极材料的相关研究工作。目前以第一作者身份在《Nano Energy》、《Nanoscale》、《Electrochim. Acta》、《Cryst. Growth Des.》、《J. Alloys Compd.》等国际期刊发表SCI收录论文9篇，论文他引200余次。主持河南省科技攻关项目1项。邮箱：gdl0594@163.com。

课题组近三年主要研究成果：

1, Role of the anatase/TiO₂(B) heterointerface for ultrastable high-rate lithium and sodium energy storage performance, Nanoscale Horiz., 2020, 5, 150-162

2, Hydrogel-derived VPO₄/porous carbon framework for enhanced lithium and sodium storage, Nanoscale, 2020, 12, 3812-3819.

3. Hierarchical N-doped graphene coated 1D cobalt oxide microrods for robust and fast lithium storage at elevated temperature, Electrochim. Acta, 2019, 310, 70-77.

4, Anatase inverse opal TiO_2-x@N-doped C induced the dominant pseudocapacitive effect for durable and fast lithium/sodium storage, Electrochim. Acta, 2019, 299, 540-548.

5. Hollow SnO₂ nanospheres with oxygen vacancies entrapped by a N-doped graphene network as robust anode materials for lithium-ion batteries, Nanoscale, 2018, 10, 11460-11466.

6. Facile fabrication of a jarosite ultrathin KFe₃(SO₄)₂(OH)₆@rGO nanosheet hybrid composite with pseudocapacitive contribution as a robust anode for lithium-ion batteries, Inorg. Chem. Front., 2019, 6, 192-198.

7. 2D MoS₂ grown on biomass-based hollow carbon fibers for energy storage, Appl. Surf. Sci., 2019, 469, 854-863.

8. Single-Crystalline Particles: An Effective Way to Ameliorate the Intragranular Cracking, Thermal Stability, and Capacity Fading of the LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂Electrodes, J. Electrochem. Soc., 2018, 165, 13, A3040-A3047.

9. Cr₂O₃ nanosheet/carbon cloth anode with strong interaction and fast charge transfer for pseudocapacitive energy storage in lithium-ion batteries, RSC Adv., 2019, 9, 33446-33453.

10. Coordination Engineering Construction of Si@ZnS@N,S-Doped Reduced Graphene Oxide Nanocomposite as Anode Material with Enhanced Lithium Storage Performance, Energy Technology, 2019, 7, 1900186.