哈尔滨工程大学刘志亮、贺飞教授与北京大学郑捷教授合作， Nano Research研究论文：表面基团导向的纳米铝低温合成与自组装及其储锂应用

【文章信息】

表面基团导向的纳米铝低温合成与自组装及其储锂应用

第一作者：孔祥龙，李至，赵旭东

通讯作者：郑捷*，刘志亮*，贺飞*

单位：哈尔滨工程大学，北京大学

【研究背景】

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，已被广泛用于制造各类粗犷的工业品，如铝合金、电线、金属燃料、家用容器等。为了更好的利用地壳中丰富的铝资源，实现铝资源的高附加值利用，非常有必要开拓金属铝的新应用。纳米铝由于其小尺寸效应、特殊的表面等离基元效应和良好的导电性等特点，近来在发光、光电器件以及锂离子电池等新兴领域显示出很大的应用前景。尤其用作储锂材料，纳米铝具有超高的理论比容量（约为2234 mAh g–1）及非常合适的工作电势（~0.5 V vs. Li/Li+），因此非常有希望用于开发下一代高性能锂离子电池。

由于纳米铝自身比较活泼且制备很复杂，因此纳米铝的相关研究十分有限。当前合成纳米铝的方法尚存在如下问题：反应温度高，能耗大；合成原料多为铝的金属有机试剂，不仅价格昂贵，而且容易自燃；纳米铝产物的尺寸和形貌较难调控。

【文章简介】

近日，哈尔滨工程大学刘志亮、贺飞教授与北京大学郑捷教授合作，提出了一种新颖的表面基团导向合成碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶（Al@CFs）的方法。该方法在低温（70 °C）条件下，通过“表面基团导向的自组装策略”实现金属铝在纳米尺度上均匀定向自组装。该方法具有合成温度低、铝前驱体安全廉价且产物尺寸和形貌可控等优势。所合成的Al@CFs材料展现出了优秀的储锂性能，在300 mA g–1的电流下，首次充电比容量达到1257 mAh g–1，即使在1000 mA g–1的大电流下，循环800圈后，仍然保持810 mAh g–1的可逆比容量。

图1. 表面基团导向的纳米铝低温合成示意图

【本文要点】

要点一：表面基团导向实现纳米铝定向自组装

在含锂金属的有机溶剂中，羟基化碳纤维表面丰富的-OH将转化为-OLi基团（H被Li取代），含-OLi基团的碳纤维对AlCl3分子具有很强的结合能（2.53 eV），能够有效吸附AlCl3分子，在锂的还原作用下，使原位生成的铝纳米晶定向自组装至碳纤维表面。

图2. DFT理论计算：（a）AlCl3和具有-OLi基团的碳纤维的结合能以及差分电荷密度，（b）AlCl3和纯碳纤维的结合能以及差分电荷密度

要点二：低温可控合成超细纳米铝

通常纳米铝的制备需要在高温高压环境下进行，而且合成所采用的铝前驱体多为易燃的金属有机试剂，这不仅增加了操作难度，而且存在较高的安全隐患。本研究提出一种新型合成方法，在低温（70 °C）条件下，采用安全廉价的AlCl3作为前驱体，成功合成均匀超细的铝纳米晶（尺寸约10 nm）。

图3.（a）碳纤维的SEM图，（b）Al@CFs的SEM图，（c）Al@CFs局部放大的SEM图，（d）Al@CFs的TEM图，（e）Al@CFs的HRTEM图，（f-h）Al@CFs的元素分布图

要点三：优秀的储锂性能

Al@CFs负极在300 mA g–1电流下首次充放电比容量可达1257和2064 mAh g–1，即使在8000 mA g–1的超大电流下仍可以达到480 mAh g–1的比容量；在1000 mAh g–1电流下运行800圈后还保持了810 mAh g–1的可逆比容量。以上结果表明所合成的Al@CFs负极具有高的储锂容量以及优秀的稳定性。

图4. Al@CFs的锂离子储存性能：（a）CV曲线，（b）在300 mA g–1电流下的充放电曲线，（c）在300 mA g–1电流下的循环性能，（d）倍率性能，（e）在1000 mA g–1电流下的循环性能

【文章链接】

Surface group directed low-temperature synthesis and self assembly of Al nanostructures for lithium storage

https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4776-6

【通讯作者简介】

郑捷，北京大学化学与分子工程学院副教授，博士生导师。2004年和2009年于北京大学化学学院获理学学士和博士学位，2010年于荷兰艾因霍恩理工大学获PhD，2011年进入北京大学化学学院工作，研究领域为储制氢材料、等离子体材料、锂离子电池材料等，在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、Nano Res.、Chem. Sci.、Nano Lett.、ACS Nano、Nano Energy等国内外重要学术杂志上发表论文70余篇，授权专利10余项。

刘志亮，哈尔滨工程大学教授，主要从事无机纳米材料合成与设计、锂离子电池、储氢材料等研究。近年来在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Res.、ACS Nano、Nano Today等期刊发表论文30多篇。

贺飞，教授，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院副院长，黑龙江省“材料科学与工程”领军人才梯队后备带头人，中国稀土学会光学材料与器件专业委员会理事，黑龙江省“生物医学材料与器件”重点实验室副主任，以第一/通讯作者发表SCI论文43篇，他引次数达到4300余次。