碳点调控混合相钛酸钠的储钠性能

doi:10.7503/cjcu20240356

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 20240356.doi: 10.7503/cjcu20240356

碳点调控混合相钛酸钠的储钠性能

李丹¹, 胡鸿辉¹, 侯红帅², 张生³, 刘立杰⁴(), 景明俊¹(), 吴天景¹()

^1.湘潭大学新能源装备及储能材料与器件国家国际科技合作基地, 新型储能电池关键材料制备技术国家地方联合工程实验室, 环境友好化学与应用教育部重点实验室, 湘潭 411105
^2.中南大学化学化工学院, 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083
^3.河南大学纳米科学与工程研究所, 开封 475004
^4.河南农业大学理学院, 郑州 450002

收稿日期:2024-07-16 出版日期:2025-06-10 发布日期:2024-09-04
通讯作者: 刘立杰,景明俊,吴天景 E-mail:lijieliu@henau.edu.cn;jingmingjun@xtu.edu.cn;twu@xtu.edu.cn
基金资助:
湖南省自然科学基金杰出青年基金(2023JJ10041);湖南省教育厅基金(22A0114);河南省自然科学基金(232300421228);河南农业大学拔尖人才计划项目(30501032);国家自然科学基金(22305070);国家大学生创新实验计划资助项目(S202310530037X)

Sodium Storage Performance of Mixed-phase Sodium Titanate Tuned by Carbon Dots

LI Dan¹, HU Honghui¹, HOU Hongshuai², ZHANG Sheng³, LIU Lijie⁴(), JING Mingjun¹(), WU Tianjing¹()

^1.National Base for International Science & Technology Cooperation，National Local Joint Engineering Laboratory for Key Materials of New Energy Storage Battery，Key Laboratory of Environmentally Friendly Chemistry and Application of Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China
^2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy，College of Chemistry and Chemical Engineering，Central South;University，Changsha 410083，China
^3.Institute of Nanoscience and Engineering Henan University，Kaifeng 475004，China
^4.College of Science Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China

Received:2024-07-16 Online:2025-06-10 Published:2024-09-04
Contact: LIU Lijie, JING Mingjun, WU Tianjing E-mail:lijieliu@henau.edu.cn;jingmingjun@xtu.edu.cn;twu@xtu.edu.cn
Supported by:
the Distinguished Young Scholar Fund Project of Hunan Province Natural Science Foundation, China(2023JJ10041);the Hunan Provincial Education Office Foundation of China(22A0114);the Natural Science Foundation of Henan Province, China(232300421228);the Topnotch Talents Program of Henan Agricultural University, China(30501032);the National Natural Science Foundation of China

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摘要/Abstract

摘要：

Na₂Ti₃O₇和Na₂Ti₆O₁₃是两种典型的钛基储钠材料, 分别具有理论容量高和结构稳定性好的优点, 而调控两者在复合材料中的占比是更好发挥其电化学性能的关键. 基于碳点比表面积大、表面官能团丰富等优势, 本文利用一步水热法, 原位制得了含碳点的钛酸钠前驱体. 经过后续的热转换处理, 可获得含由碳点衍生而来的导电碳的Na₂Ti₃O₇和Na₂Ti₆O₁₃复合材料(NNTO/C). 导电碳的引入对混合相的组分比例进行了调控, 还为复合材料提供了小电荷转移阻抗(R_ct, 7.48 Ω)和大比表面积(100.8 m²/g), 使得NNTO/C发挥混合相协同互补作用的同时, 展现出更好的储钠行为. 将其用作负极时, NNTO/C在0.05 A/g的电流密度下循环超200次, 仍有143.8 mA‧h/g的比容量, 并在1.00 A/g的大电流下循环400次后展现出108 mA‧h/g的比容量. 本研究为电极材料两相结构的设计及碳点在储能方面的拓展应用给予了新思路.

关键词: Na₂Ti₃O₇, Na₂Ti₆O₁₃, 混合相, 碳点, 储钠行为

Abstract:

Na₂Ti₃O₇ and Na₂Ti₆O₁₃ are two typical titanate-based sodium-storage materials， featuring the high theoretical capacity and favorable structure stability， respectively. Regulating the ratio of them in the composite material is the key to strengthen its electrochemical characteristics. Herein， based on the high specific surface area and abundant surface functional groups of carbon dots（CDs）， sodium titanate precursors containing CDs were in situ prepared by one-step hydrothermal method. After the thermal conversion of the precursors， a composite material（NNTO/C） of Na₂Ti₃O₇ and Na₂Ti₆O₁₃ was obtained， containing conductive carbon derived from CDs. The introduction of conductive carbon not only adjusts the composition ratio of the mixed phases， but also provides a small charge transfer impedance（R_ct， 7.48 Ω） and a big specific surface area（100.8 m²/g）. As a result， NNTO/C composites exhibit better sodium storage behavior while playing the synergistic interaction of mixed phases. When employed as the anode， after 200 cycles at 0.05 A/g， NNTO/C still maintains a specific capacity of 143.8 mA‧h/g. After 400 cycles at 1.00 A/g， the specific capacity remains as high as 108 mA‧h/g. This study suggests an innovative thinking for designing two-phase structures of electrode materials and the greater use of CDs in electrochemical energy storage.

Key words: Na₂Ti₃O₇, Na₂Ti₆O₁₃, Mixed-phases, Carbon dots, Sodium storage behavior

中图分类号:

O614

TrendMD:

李丹, 胡鸿辉, 侯红帅, 张生, 刘立杰, 景明俊, 吴天景. 碳点调控混合相钛酸钠的储钠性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240356.

LI Dan, HU Honghui, HOU Hongshuai, ZHANG Sheng, LIU Lijie, JING Mingjun, WU Tianjing. Sodium Storage Performance of Mixed-phase Sodium Titanate Tuned by Carbon Dots. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240356.

图/表 7

Fig.1 SEM images of NNTO(A) and NNTO/C(B), TEM(C) and HRTEM images(D) of NNTO/C

Fig.2 XRD patterns of NNTO and NNTO/C composites(A), Rietveld refinement(B), Raman analysis(C) and TGA profiles(D) of NNTO/C sample

Fig.3 N2 adsorption⁃desorption isotherms and pore size distributions(insets) of NNTO/C(A) and NNTO(B)

Fig.4 XPS survey(A) and high resolution spectra for Ti2p (B), O1s (C) and C1s (D) of NNTO/C

Fig.5 CV plots of NNTO/C at 0.1 mV/s(A), cycling performances of NNTO/C and NNTO at 0.05 A/g(B), rate capabilities of NNTO/C and NNTO(C), charge⁃discharge curves of NNTO/C(D), cycling properties of NNTO/C at 1.00 A/g(E)

Fig.6 CV plots at various sweep speeds(A), capacitive and diffusive contributions at 0.2 mV/s(B), diffusion and pseudo⁃capacitive contributions at various scan rates of NNTO/C(C)

Fig.7 Nyquist plots(A), GITT profiles(B) and Na+ diffusion coefficient(C) of NNTO/C and NNTO

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碳点调控混合相钛酸钠的储钠性能

Sodium Storage Performance of Mixed-phase Sodium Titanate Tuned by Carbon Dots

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