实现NASICON结构Na3MnTi(PO4)3高度可逆的三电子氧化还原反应

来源：X一MOL资讯

原标题：【材料】实现NASICON结构Na3MnTi(PO4)3高度可逆的三电子氧化还原反应

由于钠资源丰富、分布广泛、成本低廉，且钠离子具有与锂离子相似的物理化学性质，使得钠离子电池（SIB）在储能领域具有重要的应用前景，成为大规模电网储能最具前景的选择之一。然而，由于Na+的离子半径大，在其嵌入和脱出时通常伴随着较大的体积变化和动力学过程缓慢等问题，开发适合钠离子储存的电极材料仍然是一个巨大的挑战。

众所周知，Na3V2(PO4)3是一种可实现钠离子快速脱嵌的NASICON结构电极材料。近年来，研究者在此基础上已开发出了一系列更加廉价和安全环保的NASICON结构电极材料（Na3Fe2(PO4)3、Na3MnTi(PO4)3、Na3MgTi(PO4)3等）。然而，上述NASICON结构化合物在电化学反应中涉及的电子得失数大多为2，理论容量一般在130 mAh•g-1以下。近日，武汉理工大学的麦立强教授和周亮教授团队利用喷雾干燥辅助合成法制备了一种Na3MnTi(PO4)3/C中空微球并将其用于钠离子电池研究。与传统NASICON结构化合物相比，该材料实现了高度可逆的三电子氧化还原反应，比容量达到160 mAh•g-1（理论容量约176 mAh•g-1），同时循环稳定性也得到大幅度提升。

通过喷雾干燥辅助合成法制备的Na3MnTi(PO4)3/C（NMTP/C）在2.1、3.5和4.0 V（vs. Na+/Na）表现出高度可逆的三电子氧化还原反应，分别对应于Ti4+/Ti3+、Mn3+/Mn2+和Mn4+/Mn3+氧化还原电对。可逆的三电子氧化还原反应赋予NMTP/C 160 mAh•g-1的高比容量，稳定和开放的NASICON框架确保了NMTP/C优异的循环稳定性（2 C下500次循环后容量保持率为92 %）。他们通过原位XRD对材料的储钠机理进行探究，发现该材料在进行稳定可逆的三电子氧化还原反应时固溶与两相反应同时发生。Na+脱嵌示意图展示了第一圈以及随后充放电过程中NMTP/C的结构变化。鉴于其优异的半电池性能，作者又组装了NMTP/C-650//碳钠离子全电池，在0.5 C时具有139 mAh•g-1（基于正极材料的质量）的比容量。这一研究成果对探索新型NASICON结构电极材料以实现多电子氧化还原反应提供了新思路。

该成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是武汉理工大学的博士研究生朱婷。

该论文作者为：

Ting Zhu, Ping Hu, Xuanpeng Wang, Zhenhui Liu, Wen Luo, Kwadwo Asare Owusu, Weiwei Cao, Changwei Shi, Jiantao Li, Liang Zhou, Liqiang Mai

麦立强教授介绍

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授、博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长、教育部“长江学者特聘教授”（2016年度）、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、英国皇家化学学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）；2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后及高级研究学者研究；长期从事纳米能源材料与器件研究，发表SCI论文300余篇，包括Nature及其子刊11篇，Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Energy Environ. Sci.、Chem.各1篇，Adv. Mater.14篇，J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、PNAS、Joule各2篇，Nano Lett. 25篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，55篇论文入选ESI近十年高被引论文，11篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文，获授权国家发明专利100余项；主持/承担了国家重点研究计划、国家国际科技合作专项、国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目；获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、2018年国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（EEST2018 Research Excellence Award）、Nanoscience Research Leader奖，入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划、教育部新世纪优秀人才计划，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；入选2017年英国皇家化学会Top 1%高被引中国作者，指导学生获“中国青少年科技创新奖”（3届），全国大学生“挑战杯”特等奖（1届）、一等奖（2届）、二等奖（4届），中国大学生自强之星标兵（1届）和2014年大学生“小平科技创新团队” 等；任Adv. Mater.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.国际编委，Nano Res.、Sci. China Mater.编委。

周亮教授介绍

周亮，武汉理工大学特聘教授、博士生导师；2006年获复旦大学化学系理学学士学位，2011年获得复旦大学化学系理学博士学位，师从赵东元院士和余承忠教授；2011年加入南洋理工大学楼雄文教授课题组从事博士后研究，2012年加入昆士兰大学余承忠教授课题组从事博士后研究，2015年3月加入武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室；2017年荣获“中国新锐科技知社特别奖”；主要研究方向为功能纳米材料的电化学储能应用，在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater. 等国际期刊发表SCI论文100余篇，文章被引用5700余次，H因子为40。