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南通南京大学材料研究院孟祥康教授、唐少春教授团队取得技术新进展

    南京大学唐少春教授、孟祥康教授团队提出了液相合成体系中不同于普通“自下向上”的新路径,基于“自上向下”的材料设计思路,通过两步阴离子交换技术制备出了双金属硫化物MCo2S4(M = Ni, Fe, Zn)纳米管相互穿插“焊接”构建的正六边形层状分级多孔微米片,作为超级电容器电极材料表现出远高于纳米管单体的容量和循环稳定性;揭示了两步阴离子交换调控微纳结构的机理。该工作以“Hierarchically Porous Hexagonal Microsheets Constructed by Well-Interwoven MCo2S4 (M = Ni, Fe, Zn) Nanotube Networks via Two-Step Anion-Exchange for High-Performance Supercapacitors”为题发表在能源期刊《Nano Energy》上(Nano Energy 45 (2018) 439–447。唐少春教授、孟祥康教授为通讯作者,论文第一作者是南大现代工学院2015级硕士研究生吴娟。

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纳米管相互穿插“焊接”构建的正六边形层状分级多孔微米片的形成机理示意图


    国内外报道的纳米管合成方法主要有牺牲模板法和酸刻蚀法,难以实现复杂微纳分级结构的制备。本工作提出通过两步阴离子交换“自上而下”的路径,将各向异性生长形成的微米结构在纳米尺度下进行组分转换和刻蚀,调控反应速率,获得了一种新颖的由纳米管相互穿插“焊接”构建的正六边形层状分级多孔微米片。详细讨论了其形成机理,如上图所示,并成功将该制备技术发展为双金属硫化物MCo2S4(M = Ni, Fe, Zn等)复杂分级结构调控制备的一种通用方法。

    这种特殊的微纳结构极大地加速了离子在电极内的扩散传输,且小于20 nm的管壁厚度使离子能够穿透扩散到内部,显著提升了活性材料的利用率,如图下图所示;尤其是,这种纳米管相互穿插支撑的结构不仅稳定性较高,且微米结构的内阻大大低于纳米单体间简单物理接触产生的电阻。

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特殊微纳分级结构促进电子/离子传递的示意图

   该研究得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能新材料科技服务平台等平台与项目的支持,同时得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省六大人才高峰、中央高校基本科研业务费专项基金、江苏省优势学科等项目的支持。