樓雄文Angew. Chem. Int. Ed.：分級的雙層空心結構CuS@CoS2的可控合成及其儲鈉性能研究

【引言】

鈉離子電池和鋰離子電池相比，具有成本低廉、鈉儲量豐富等優點，得到研究者的廣泛關注。開發高性能的負極材料對促進鈉離子電池的實際應用尤為關鍵。金屬硫化物由于高的電化學可逆性和比容量，是一類具有應用前景的負極材料。但它們大多數導電性較差、電化學反應過程中體積變化較大，從而表現出較差的倍率性能和循環性能。合理的納米結構設計是提高鈉離子電池的電化學性能的有效途徑。低維納米結構單元組成的分級的空心結構，作為電極材料表現出較優的儲鈉性能。其中，較大的比表面積能夠促進電解液的充分浸潤，低維納米結構單元能顯著減少電子和離子的傳輸距離。然而，具有復雜的結構和化學組成可控的金屬硫化物及其儲鈉性能研究還很少被報道。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學樓雄文教授（通訊作者）課題組在Angew. Chem. Int. Ed.?上報道了用多步模板法制備分級的雙層空心結構的CuS@CoS₂（CuS@CoS₂ DSNBs）納米顆粒，該顆粒由CoS₂納米片負載在CuS內殼上。作為鈉離子電池負極，該材料表現出較高的可逆比容量、優異的倍率性能、穩定的循環壽命。

【圖文導讀】

圖1.CuS@CoS₂ DSNBs的合成過程示意圖。

圖2.a、e為 Cu₂O納米立方塊的FESEM和TEM圖；b、f為核殼結構Cu₂O@Co(OH)₂納米立方塊的FESEM和TEM圖；c、g為Cu₂O@CuS@Co(OH)₂納米立方塊的FESEM和TEM圖；d、h為CuS@Co(OH)₂?空心納米顆粒的FESEM和TEM圖。

圖3.a-c為CuS@CoS₂ DSNBs的FESEM圖；d、e為CuS@CoS₂ DSNBs的TEM圖；f為CuS@CoS₂ DSNBs的HRTEM圖。

圖4.a、d為 CuS-CoS₂ DSNBs的FESEM和TEM圖；b、e為 CoS₂?SSNBs的FESEM和TEM圖；c、f為 CuS SSNBs的FESEM和TEM圖。

圖5.(a) CuS@CoS₂ DSNBs電極的循環伏安圖； (b) CuS@CoS₂ DSNBs電極的充放電曲線； (c)? CuS@CoS₂ DSNBs、CuS-CoS₂ DSNBs、 CoS₂ SSNBs和CuS SSNBs電極的倍率性能；（d）CuS@CoS₂ DSNBs電極的在不同電流密度的充放電曲線； (e)?CuS@CoS₂ DSNBs、CuS-CoS₂ DSNBs、CoS₂ SSNBs 和CuS SSNBs 電極在0.5 A g^-1電流密度下的循環性能。

【小結】

作者通過模板法合成了分級雙層空心結構的CuS@CoS₂ DSNBs，并測試了其儲鈉性能。通過合理設計反應的過程，可以實現材料結構和組成的可控調控。其中，CuS@CoS₂ DSNBs材料表現出最優的儲鈉性能，該材料表現出較高的可逆比容量（625 mAh g^-1）、優異的倍率性能（在5 A g^-1的電流密度下具有304 mAh g^-1的可逆比容量）和穩定的循環性能（循環500周，容量保持率為79%）。這一研究結果提供了一種制備高性能復雜空心結構硫化物負極材料的新策略，為鈉離子電池的發展和應用，以及復雜空心結構的合成提供了新的思路和方向。

【導師介紹】

樓雄文，1978年出生于浙江金華，先后于2002和2004年在新加坡國立大學獲得一級榮譽學士學位和碩士學位，2008年在美國康奈爾大學獲得化學與生物分子工程專業博士學位，并因其出色的工作被授予Austin Hooey獎金和劉氏紀念獎。現任新加坡南洋理工大學材化學與生物醫學工程學院教授，主要研究方向是設計合成納米結構材料用于能源與環境相關的領域。樓雄文教授專注于新能源材料與器件研究并取得了卓越的研究成果，于2017年獲得英國皇家化學會旗下期刊Energy & Environmental Science所頒發的?Readers’ Choice Lectureship Award，2017年入選英國皇家化學會會士Fellow of Royal Society of Chemistry (FRSC)、2013年獲得世界文化理事會特別榮譽獎World Cultural Council (WCC) special recognition award、同年獲得十五屆亞洲化學大會—亞洲新星、2012年獲得新加坡國家科學院—青年科學家獎等。2015年入選新加坡國家基金研究會評審員Singapore National Research Foundation (NRF) Investigatorship。樓雄文教授現為Science Advances副主編、Journal of Materials Chemistry A副主編、Small Methods編委。樓雄文教授在包括如Nature Energy(1篇)、Science Advances(7篇)、Chem(4?篇)、Joule(3?篇)、Nature Communications(6?篇)、Energy & Environmental Science(32篇)、Journal of the American Chemical Society(16篇)、Angewandte Chemie–International Edition(51篇)、Advanced Materials(45篇)、Advanced Energy Materials(18篇)、Advanced Functional Materials(12篇)等國際頂級期刊發表論文310余篇，累計引用次數超過58600次，H指數高達147。樓雄文教授連續多年入選高被引用學者Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Clarivate Analytics (Previously Thomson Reuters)（2018），Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Clarivate Analytics (Previously Thomson Reuters)（2017），Highly cited researcher (in Chemistry, Materials Science & Envinronment) by Thomson Reuters (2016)、Highly cited researcher (in Chemistry & Materials Science) by Thomson Reuters (2015)、Highly cited researcher (in Materials Science) by Thomson Reuters (2014)。

【課題組主頁】

http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/

文獻鏈接：Elegant Synthesis of CuS@CoS2 Double‐Shelled Nanoboxes with Enhanced Sodium Storage Properties（Angew. Chem. Int. Ed.?，2019，DOI:10.1002/anie.201902583）

本文由kv1004供稿。