Probing the active sites of 2D nanosheets with Fe-N-C carbon shell encapsulated FexC/Fe species for boosting sodium-ion storage performances

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作者
Huicong Xia,Pengfei Yuan,Lingxing Zan,Gan Qu,Yunchuan Tu,Kaixin Zhu,Yifan Wei,Zeyu Wei,Fangying Zheng,Mo Zhang,Yongfeng Hu,Dehui Deng,Jianan Zhang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (8): 7154-7162 被引量:19
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3992-9
摘要

Developing stable but high active metal-nitrogen-carbon (M-N-C)-based hard carbon anode is a promising way to be the alternatives to graphene and blank hard carbon for sodium-ion batteries (SIBs), requiring the precise tailoring of the electronic structure for optimizing the Na+ intercalation behavior, yet is greatly challenging. Herein, Fe-N-C graphitic layer-encapsulating Fe3C species within hard carbon nanosheets (Fe-N-C/Fe3C@HCNs) are rationally engineered by pyrolysis of self-assembled polymer. Impressively, the Fe-N-C/Fe3C@HCNs exhibit outstanding rate capacity (242 mAh·g−1 at 2,000 mA·g−1), which is 2.1 and 4.2 times higher than that of Fe-N-C and N-doped carbon (N-C), respectively, and prolonged cycling stability (176 mAh·g−1 at 2,000 mA·g−1 after 2,000 cycles). Theoretical calculations unveil that the Fe3C species enhance the electronic transfer from Na to Fe-N-C, resulting in the charge redistribution between the interfaces of Fe3C and Fe-N-C. Thus, the optimized adsorption behavior towards Na+ reduces the thermodynamic energy barriers. The synergistic effect of Fe3C and Fe-N-C species maintains the structural integrity of electrode materials during the sodiation/desodiation process. The in-depth insight into the advanced Na+ storage mechanisms of Fe3C@Fe-N-C offers precise guidance for the rational establishment of confinement heterostructures in SIBs.
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