金属/金属氧化物@空心碳纳米球的设计合成及在锂硫电池中的应用基础研究

In this project, we propose an efficient interfacial polymerization strategy to fabricate novel yolk-shell structured metal/metal oxide@hollow carbon nanospheres, by designing structures of metal/metal oxides yolk nanoparticles and carbon shell precursors. The advantages of this strategy include the avoidance of any hard template to construct yolk-shell structure, and the direct formation of microporous carbon shells with high surface areas from robust conjugated structures of polymer shell via carbonization. The role of yolk nanoparticles and the conjugated carbon precursors during the interfacial polymerization process for the formation of yolk-shell structure will be studied. The carbonization mechanism of polymer shell and the yolk-shell structure inheritability during carbonization process will be revealed. Consequently, the design and control principles of yolk-shell structures will be clarified. On the basis of controllable preparation, the electrochemical performances of these novel materials as sulfur host cathode in Li-S batteries will be investigated. The influence of hollow cores, pore and framework structures of carbon shell and metal/metal oxides yolk structures on sulfur loading and restriction of the shuttling phenomenon of polysulphides will be studied. The synergistic effect of hollow cores for sulfur accommodation, the nanopores and metal/metal oxides nanoparticles for adsorbing polysulphides physically and chemically, respectively, will be elucidated. This project will greatly boost preparation science theories of new carbon composite materials and provide opportunities and ideas to improve the performances of lithium-sulfur batteries.

本项目拟利用高效的界面聚合方法，设计金属/氧化物核和碳壳层前驱体结构，制备蛋黄-蛋壳结构金属/氧化物@空心碳纳米球。该法的优势在于无需借助任何硬模板即可构筑出蛋黄-蛋壳结构，而且聚合物壳层具有刚性的共轭结构，可直接碳化形成富含微孔且比表面积高的碳壳层。项目拟着重研究核纳米粒子和壳层共轭碳前驱体在界面聚合过程中形成蛋黄-蛋壳结构的作用机制，揭示壳层聚合物碳化机理以及蛋黄-蛋壳结构在碳化过程中演变规律，建立蛋黄-蛋壳结构金属/氧化物@空心碳纳米球的设计原理与调控机理。在实现可控制备的基础上，探索新材料作为锂硫电池正极固硫载体的储能性能，揭示空腔结构、碳壳层孔与骨架结构以及核粒子对载硫量和束缚多硫化物的溶解迁移的影响规律，阐明空腔载硫、纳米孔物理吸附与金属/氧化物强化学吸附的固硫机制与协同效应。本项目可以丰富和发展新型碳复合功能材料的制备方法，为高性能锂硫电池材料的设计提供新的思路。

蛋黄-蛋壳结构纳米复合材料，尤其是金属/金属氧化物@空心碳纳米球，由于其呈现独特的功能核纳米粒子@空腔@纳米碳壳层的构型，可实现核纳米粒子、空腔以及碳壳层的协同优势效应，在催化、能量储存、生物医药等领域具有广阔的应用前景。然而，目前蛋黄-蛋壳结构基碳纳米球材料的制备依然存在亟待解决的问题，而且所得材料的孔隙率通常较低。因此，开发金属/金属氧化物@空心碳纳米球的新型制备方法并提升壳层的孔隙率，对改善这类新型材料的功能性及应用性变得尤为重要。基于此，本项目提出“胶束界面聚合”方法来制备金属/氧化物@空心碳纳米球新思路。设计金属/氧化物核和碳壳层前驱体结构，制备蛋黄-蛋壳结构金属/氧化物@空心碳纳米球。该法的优势在于无需借助任何硬模板即可构筑出蛋黄-蛋壳结构，而且聚合物壳层具有刚性的共轭结构，可直接碳化形成富含微孔且比表面积高的碳壳层。我们研究了研究核纳米粒子和壳层共轭碳前驱体在界面聚合过程中形成蛋黄-蛋壳结构的作用机制，揭示壳层聚合物碳化机理以及蛋黄-蛋壳结构在碳化过程中演变规律，建立蛋黄-蛋壳结构金属/氧化物@空心碳纳米球的设计原理与调控机理。并在该制备理论的指导和启发下，我们设计制备了氨气辅助碳化构筑富氮高孔隙率空心碳纳米球、锡@空心碳纳米球、金属氮化物@空心碳纳米球等一系列新型碳基纳米球材料。紧接着，我们探索所得材料作为锂硫电池正极固硫载体的储能性能，探索了纳米孔物理吸附与金属/氧化物强化学吸附的固硫机制与协同效应。此外我们还发展了若干新型多孔碳材料及其功能复合材料，显著加强了本项目的理论深度和广度。在本项目资助下，项目负责人以第一/通讯作者身份发表SCI论文12篇，发表会议论文3篇。并申请中国发明专利7项，授权1项。项目组成员4人次参加国内外学术会议，邀请4位国内外专家来西北工业大学作学术报告。