中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：過渡金屬氫氧化物廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)保、傳感器等領(lǐng)域。如何提升過渡金屬氫氧化物的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性一直是該領(lǐng)域的核心問題。最近，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室閻興斌課題組在極小尺寸氫氧化鎳的制備、表征及電化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)機(jī)理過程等方面取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以Ultra-small, size-controlled Ni(OH)2 nanoparticles: elucidating the relationship between particle size and electrochemical performance for advanced energy storage devices 為題于2015年6月在線發(fā)表在Nature出版集團(tuán)旗下的NPG Asia Materials 雜志上。
對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能材料而言，一般認(rèn)為電極材料粒徑的減小可縮短離子或質(zhì)子傳輸路徑，從而有利于提高其電化學(xué)活性和利用率。那么，是否電極材料粒徑無限減小，其電化學(xué)性能就會(huì)無限提高？眾所周知，當(dāng)電極材料處于納米尺度（尤其是小于10nm），就會(huì)產(chǎn)生納米尺寸效應(yīng)，例如量子尺寸效應(yīng)，而量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料本征的物理和化學(xué)性能變化。這些變化是否會(huì)影響電化學(xué)儲(chǔ)能材料的宏觀電化學(xué)性能？然而，目前還很難通過現(xiàn)有方法合成出粒徑小于10nm并可以實(shí)現(xiàn)尺寸可控的電化學(xué)儲(chǔ)能材料，這阻礙了研究者對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能機(jī)制與粒徑之間關(guān)系的深入研究。基于其團(tuán)隊(duì)多年在電化學(xué)儲(chǔ)能材料可控合成和儲(chǔ)能機(jī)理方面的研究，閻興斌課題組巧妙地運(yùn)用絡(luò)合沉淀反應(yīng)方法，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氧化鎳電極材料在10nm以下的可控合成，所制備的氫氧化鎳納米顆粒尺寸小且均一。該方法簡(jiǎn)單易行、成本低且大規(guī)模制備，相關(guān)研究結(jié)果已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。
在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步通過電化學(xué)分析測(cè)試技術(shù)研究了氫氧化鎳的電化學(xué)儲(chǔ)能性能，發(fā)現(xiàn)氫氧化鎳的電化學(xué)儲(chǔ)能性能并不是隨著粒徑的下降而逐漸升高，而是存在臨界尺寸，即當(dāng)材料的粒徑小于某一粒徑（臨界尺寸）時(shí)，電化學(xué)性能不會(huì)繼續(xù)升高，反而會(huì)下降。這表明電極材料的儲(chǔ)能性能可能受到本征物理和化學(xué)性能改變的影響。研究人員進(jìn)一步運(yùn)用紫外光譜和理論模擬分析證實(shí)當(dāng)儲(chǔ)能材料的粒徑小于臨界尺寸時(shí)，會(huì)發(fā)生量子尺寸效應(yīng)，其能級(jí)會(huì)往高能態(tài)遷移，導(dǎo)致其導(dǎo)電率成倍降低。從整體電化學(xué)氧化還原角度來分析，一個(gè)完整的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)主要包括離子傳輸、電荷轉(zhuǎn)移和電子傳輸三個(gè)過程。任何一個(gè)過程受到影響都會(huì)影響到電極材料的儲(chǔ)能性能。這說明當(dāng)材料的粒徑減小到臨界尺寸以下時(shí)，量子尺寸效應(yīng)可能是其電化學(xué)性能下降的誘因。另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)材料的尺寸減小到臨界尺寸以下時(shí)，其質(zhì)子/離子交換速率都會(huì)發(fā)生反?，F(xiàn)象。
基于此，研究人員對(duì)不同尺寸范圍內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能機(jī)理提出了新的認(rèn)識(shí)。這些研究結(jié)果將改變以往對(duì)納米電極材料尺度越小其儲(chǔ)能性能越好的認(rèn)識(shí)，有利于指導(dǎo)開發(fā)高性能的電化學(xué)儲(chǔ)能材料。NPG Asia Materials 對(duì)該研究作了題為Electrochemical energy storage: Smaller is not always better 的評(píng)述。
以上工作得到了蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助和支持。
蘭州化物所在量子尺度氫氧化鎳電極材料可控制備方面獲進(jìn)展
