中國儲能網訊：過渡金屬氫氧化物廣泛應用于能源、環(huán)保、傳感器等領域。如何提升過渡金屬氫氧化物的電化學活性和穩(wěn)定性一直是該領域的核心問題。最近，中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌課題組在極小尺寸氫氧化鎳的制備、表征及電化學儲能反應機理過程等方面取得了新進展，相關研究成果以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出版集團旗下的NPG Asia Materials 雜志上。
對于電化學儲能材料而言，一般認為電極材料粒徑的減小可縮短離子或質子傳輸路徑，從而有利于提高其電化學活性和利用率。那么，是否電極材料粒徑無限減小，其電化學性能就會無限提高？眾所周知，當電極材料處于納米尺度（尤其是小于10nm），就會產生納米尺寸效應，例如量子尺寸效應，而量子尺寸效應會導致材料本征的物理和化學性能變化。這些變化是否會影響電化學儲能材料的宏觀電化學性能？然而，目前還很難通過現有方法合成出粒徑小于10nm并可以實現尺寸可控的電化學儲能材料，這阻礙了研究者對電化學儲能材料的儲能機制與粒徑之間關系的深入研究?；谄鋱F隊多年在電化學儲能材料可控合成和儲能機理方面的研究，閻興斌課題組巧妙地運用絡合沉淀反應方法，首次實現了對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。該方法簡單易行、成本低且大規(guī)模制備，相關研究結果已申請國家發(fā)明專利。
在此基礎上，研究人員進一步通過電化學分析測試技術研究了氫氧化鎳的電化學儲能性能，發(fā)現氫氧化鎳的電化學儲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，即當材料的粒徑小于某一粒徑（臨界尺寸）時，電化學性能不會繼續(xù)升高，反而會下降。這表明電極材料的儲能性能可能受到本征物理和化學性能改變的影響。研究人員進一步運用紫外光譜和理論模擬分析證實當儲能材料的粒徑小于臨界尺寸時，會發(fā)生量子尺寸效應，其能級會往高能態(tài)遷移，導致其導電率成倍降低。從整體電化學氧化還原角度來分析，一個完整的電化學氧化還原反應主要包括離子傳輸、電荷轉移和電子傳輸三個過程。任何一個過程受到影響都會影響到電極材料的儲能性能。這說明當材料的粒徑減小到臨界尺寸以下時，量子尺寸效應可能是其電化學性能下降的誘因。另外，研究人員還發(fā)現材料的尺寸減小到臨界尺寸以下時，其質子/離子交換速率都會發(fā)生反?，F象。
基于此，研究人員對不同尺寸范圍內電化學儲能材料的儲能機理提出了新的認識。這些研究結果將改變以往對納米電極材料尺度越小其儲能性能越好的認識，有利于指導開發(fā)高性能的電化學儲能材料。NPG Asia Materials 對該研究作了題為Electrochemical energy storage: Smaller is not always better 的評述。
以上工作得到了蘭州化物所“一三五”重點培育項目、國家自然科學基金、固體潤滑國家重點實驗室的資助和支持。
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展
