同步辐射解析过渡金属离子插层二维层状材料的原子结构取得新进展
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同步辐射解析过渡金属离子插层二维层状材料的原子结构取得新进展
 发布时间:2018-03-05  大小:【

二维层状材料(2D layered materials)因其独特结构和优异性能在能源存储和转化等领域均表现出良好的应用前景。2D层面内原子以强的共价键结合,而层与层之间以弱的范德华力结合,这为客体插层剂插入其层间提供了可能性。近期,中国科学技术大学同步辐射实验室宋礼教授课题组在同步辐射研究插层2D纳米结构方面取得新进展,相关结果发表于国际著名期刊J. Phys. Chem. Lett.2018, 9, 817−824),论文第一作者为博士生武传强和解晖。

  

图示:同步X射线谱学解析金属锡离子插层α-MoO3

  

插层二维材料能够在原子尺度上实现对材料电子结构和本征物理性质的调控, 提高材料的载流子浓度、迁移率、磁学、光学和热学等物理性质. 近年来, 探索合适的方法制备具有不同类型和功能的二维插层新结构已逐渐成为材料科学、物理、化学等领域的研究热点. 合成了金属锡离子插层的三氧化钼二维层状新材料,利用同步辐射技术解析了插层离子与主体材料的相互作用和成键配位环境,将其应用在锂离子电池上,表现出优异的循环稳定性。

  

课题组前期的研究表明,不同客体插层2D材料能够在原子尺度上实现对材料电子结构和本征物理性质的调控(如,载流子浓度、迁移率、磁学、光学和热学等)。在本研究中,通过调节水热合成工艺将锡(Sn)原子引入到三氧化钼(α-MoO3)纳米带层间,在保持了二维材料原有的形貌和结构稳定性的同时,层间距显示出一定的增大。通过同步辐射XAFS技术深入解析了插层Sn原子与主体α-MoO3材料的相互作用和成键配位环境。结合第一性原理模拟发现,Sn原子在α-MoO3层间和氧原子相互作用,并与五个氧成键形成独特的五面体结构(O-Sn-O)。得到Sn离子插层α-MoO3材料表现出优异的锂离子充放电性能和超高的循环稳定性,其主要归因于这种金属原子插层策略不仅扩大了二维α-MoO3的层间距,同时提高了材料的导电性,使得锂离子可以在层间快速的传输,在结构稳定性提升的同时增强了锂离子电池的各项指标。这一研究结果有望为新型插层2D新材料的设计提供新思路和表征新技术。

  

以上研究工作得到了科技部重点研发计划和青年973计划、国家自然科学基金、中组部青年千人计划、中科院百人计划、合肥大科学中心、纳米科学卓越中心、南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室、浙江师范大学先进催材料教育部重点实验室和固体表面反应化学浙江省重点实验室等项目和机构的资助。

 

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