近日，北京大学工学院邹如强教授课题组在制备硼氮共掺杂碳纳米管材料方面取得新进展。他们成功制备了一种新型硼氮共掺杂碳纳米管包覆的纳米芽状方硒钴矿型CoSe₂纳米材料，并对其储钠机制进行了详细研究，该材料作为钠离子电池负极材料展现出高容量和高倍率的性能。相应成果以“Encapsulating Trogtalite CoSe₂ Nanobuds into BCN Nanotubes as High Storage Capacity Sodium Ion Battery Anodes”为题，在线发表于Advanced Energy Materials（《先进能源材料》）。

近年来，邹如强课题组在制备硼氮共掺杂碳纳米管包覆金属复合材料领域开展研究工作，并取得系列进展。他们开发了简单溶液-热解法制备硼氮共掺杂碳纳米管材料（BCN），并研究了形貌控制机制，该材料展现出优越的电催化氧还原性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475）；引入三聚氰胺海绵基底，实现了该材料的大规模制备，并成功用于超级电容器（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 21225-21230）；进一步在合成过程中利用MOF前驱体引入金属元素，并通过热解磷化方式成功制备出硼氮共掺杂碳纳米管包覆磷化钴纳米材料，展现出良好的氢析出性能（Adv. Energ. Mater., 2017, 1601671.）；通过精确形貌控制，成功制备了系列硼氮共掺杂碳纳米管包覆中空Ni、Co、Mn等金属氧化物材料并用于高性能锂离子电池（Adv. Mater. 2018, 30, 1705441）。研究团队应邀在国际顶级期刊Energy & Environmental Science发表题为“Recent advances in confining metal-based nanoparticles into carbon nanotubes for electrochemical energy conversion and storage devices”（doi：10.1039/C9EE00315K）的综述文章，总结了目前碳纳米管包覆金属纳米复合材料在电化学能源存储和转换领域的进展。

图1. 硼氮共掺杂碳纳米管包覆的纳米芽状方硒钴矿型CoSe2材料合成示意图

由于地壳中钠的丰度较高及成本低等优势，可充电钠离子电池(NIBs)在储能领域引起了广泛关注，展现出替代锂离子电池的巨大潜力。然而由于钠离子更大的离子半径，导致其电化学动力学过程更加缓慢，电极材料循环稳定性往往更差，因此，开发具有良好性能的电极材料以及深入研究钠离子电池的储钠机理显得十分必要。过渡金属二硫族化合物（TMD）由于其低成本以及优越的物理化学性质被认为是理想的电极材料，其中方硒钴矿型CoSe₂由于其晶体结构构成为两个Se原子嵌入到Co的晶格结构中，这种结构对于快速钠离子存储具有十分关键的作用。基于此，课题组通过简单的热解和硒化方法成功制备出硼氮共掺杂碳纳米管包覆的纳米芽状方硒钴矿型CoSe₂纳米材料 （图1）。这种材料展现出超高容量，循环100次后，在电流密度100 mA g⁻¹时仍然具有580 mA h g⁻¹的高容量，同时具有超高的倍率性能和稳定性，在电流密度8A g⁻¹时循环4000圈后仍能维持98%的容量（图2）。他们通过表征储钠的电化学过程以及电池循环后材料形貌的变化并结合理论计算分析，结果表明硼氮共掺杂的碳纳米管和CoSe₂间的协同作用大大增强了钠离子电池的容量和稳定性。

图2. 电池循环后材料结构分析

该工作第一作者为工学院博士后HassinaTabassum，通讯作者为邹如强。这项研究获得国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家重点基础研究发展计划、国家青年拔尖人才支持计划等项目资助。