嵌入超低含量ZnO量子點的納米片狀多孔碳ZnOQDs@C復合材料的制備

報道了一種嵌入超低含量ZnO量子點的納米片狀多孔碳作為高性能鋰電池負極材料。測試結果表明，ZnOQDs@C顯示出超高的比容量，0.2 A g-1電流密度下的放電比容量高達到2300 mAh g-1；5 A g-1條件下循環3000圈依然有700 mAh g-1的比容量，而具有較高ZnO含量的ZnO@C復合材料和無ZnO的純活性碳材料均無法達到這樣的**性能。分析表明，超大比表面積和微含量ZnO QDs摻雜的協同效應共同提升了ZnOQDs@C材料的電化學性能。

ZnOQDs@C復合材料的制備

以乙酰丙酮鋅為原料，當將其加入乙二醇溶液中會發生縮醛反應，釋放出Zn2+。這些Zn2+隨后會與模板劑1,2,3,4-丁烷四羧酸配位，得到含Zn2+的有機配位結構前軀體材料。在高溫煅燒過程中，含Zn2+的官能團生成ZnO，隨后ZnO被C還原為Zn，而Zn又可在高溫下升華，留下大量孔洞，形成了多孔結構。此外，多孔碳材料內還會殘余微量的ZnO量子點，形成ZnOQDs@C復合材料。分別在1000℃、1100℃、1200℃下高溫處理前軀體材料，得到樣品S1000、S1100和S1200。

▲圖1. ZnOQDs@C復合材料的制備流程示意圖。

(A)結構變化示意圖；(B)化學反應原理示意圖。

ZnOQDs@C復合材料的表征分析

SEM圖片顯示S1100為長度約500 nm的納米片狀結構。TEM圖片表明S1100厚度較薄。HRTEM證明了所制備的碳材料為無定型碳，但在無定型結構內部有結晶度較好、大小約5 nm的ZnO QDs存在。這些結果說明S1100材料是由無定型碳和ZnO QDs共同構成的。

▲圖2. S1100的微觀結構特征。

(A-B) S1100的SEM圖像；(C-D) S1100的TEM圖像；(E-F) S1100的HRTEM圖像。

作者隨后對ZnOQDs@C材料進行了定性和定量分析。從XRD圖譜中可知，ZnO的峰強隨著煅燒溫度的升高逐漸減弱，這說明ZnO的含量可通過煅燒溫度進行調控。XPS分析結果表明ZnO的含量隨刻蝕深度的增加逐漸升高。在20nm刻蝕深度下，Zn表現出高達1.58%的原子比，說明ZnO QDs主要分布于復合材料的內部。從氮氣吸脫附等溫曲線可以看出S1100和S1200的比表面積皆大于2000 m² g^-1，而S1000的比表面積相對較小。三個樣品的孔徑大多分布于2nm左右，非常有利于增加贗電容的容量貢獻。通過建立比表面積、Zn含量、溫度三個參數的關系發現，室溫到800℃，材料比表面積緩慢增；800℃到1100℃材料比表面積急劇增加，但伴隨著Zn含量的急劇下降，這證明Zn元素的升華直接導致了材料比表面積的增大，并隨著溫度升高較終趨于穩定。

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小編zhn2021.03.30