第一作者：闫春爽、朱玥

通讯作者：余桂华、陈刚

通讯单位：德州大学奥斯汀分校、哈工大

研究亮点：

1.开发了一种新型的非均相熔盐方法用以制备具有二维封装结构的CoO_x@GCS⸧Co复合物，借助于熔融盐的强极化力，构建了钴基材料和碳材料之间的桥连键。

2. 相比于未与碳材料键合的单相Co₃O₄，复合材料同时展现出更小的OER过电势以及更优异的LIBs倍率性能。

       能源危机和环境恶化的加剧使政府和科学家们意识到对新型能源的开发十分必要。近期，电解水获得氢能或开发新型二次电池被视为是解决能源危机最有效的方法。

       对于电解水制备氢气，4电子的OER反应由于其缓慢的动力学过程极大得限制了水分解反应的效率。为了有效地提高电解水制氢的效率，开发新型的高效OER催化剂成为首要目标。对于锂离子电池（LIBs），负极石墨碳材料有限的快速充放电能力无法满足日益增长的需求。为了实现其更广泛的应用，开发可实现高倍率性能的负极材料成为日前的研究重点。

      有鉴于此，德州大学奥斯汀分校余桂华课题组、哈工大陈刚课题组合作报道了一种非均相熔盐法用以制备具有二维封装结构的钴基/碳材料复合物，实现了钴基材料和碳材料之间耦合，并对其电催化性能和储锂性能进行了研究。

图1 制备CoO_x@GCS⸧Co的工艺流程示意图

       通过使用具有挥发性的乙酰丙酮钴作为原料，可以在反应过程中发生非均相反应来构筑封装结构，此外，借助熔融盐的强极化力使得钴基材料与碳材料之间形成较强的键合作用。

       CoO_x@GCS⸧Co具有独特二维形貌与封装结构，表征结果显示，金属Co被封装在碳材料中，而CoO_x则负载在碳材料表面上。

图2 微观形貌表征

     XPS测试分析表明，在CoO_x@GCS⸧Co样品中，钴基材料与碳材料之间形成了Co-C和Co-O-C桥连键。

图3 结构表征

      在碱性条件下的OER测试表明，具有Co-C桥连键的CoO_x@GCS⸧Co展示了最低的过电势（350 mV）和最小的塔菲尔斜率（53 mV dec^-1）。DFT计算表明，桥连键的存在可以加速金属钴的电子向碳材料上转移，提高了CoO_x@GCS⸧Co中的电子传输速率，并使原本惰性的碳材料上产生新的活性位点，从而极大地降低了OER反应的过电势。

图4 OER测试和DFT计算

      当CoO_x@GCS⸧Co作为锂电池负极材料时，在2 A g^-1的电流密度下充放电700圈后，其放电比容量仍可以稳定在838 mAh g^-1，是单相Co₃O₄的5倍。当进行倍率性能测试时，在10 A g^-1的电流密度下，CoO_x@GCS⸧Co的放电比容量仍高达713 mAh g^-1，表现出了极好的循环稳定性和倍率性能。

图5 储锂性能测试

     总之，该工作开发了一种新型的非均相熔盐法用以制备具有封装结构的钴基/碳材料复合物。该方法具有一定的普适性，为构建过渡金属基材料和碳材料之间的桥连键提供了新思路。

参考文献：

C. Yan, Y. Zhu, Z. Fang, C. Lv, X. Zhou, G. Chen,* G. Yu.* Heterogeneous Molten Salt Design Strategy toward Coupling Cobalt–Cobalt Oxide and Carbon for Efficient Energy Conversion and Storage. Adv. Energy Mater. 2018,DOI:10.1002/aenm.201800762. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201800762