石墨烯导向合成双连续核壳/管状金属纳米结构用于高性能电池电极

为解决纳米多孔金属在能源存储中孔隙率和结构可调性不足的问题，研究人员开发了一种石墨烯导向策略，通过可控氧化构建了分级核壳Ni/NiO和管状金属纳米结构。该材料具有超高孔隙率(≈86%)和稳定双连续结构，作为锂离子电池(Li-ion)和锂氧电池(Li-O2)电极表现出高容量(≈750 mAh g?1)、低过电位和超200次循环稳定性，为下一代能源系统提供了创新解决方案。

　　

这项突破性研究展示了如何利用石墨烯(graphene)的定向调控能力，将纳米多孔镍(nanoporous Ni)转化为性能卓越的电池电极材料。通过精确控制的氧化过程，在石墨烯涂层的保护下，成功构建出两种独特的纳米结构：一种是保持双连续(bicontinuous)特征的核壳结构(Ni/NiO)，另一种则是具有超高孔隙率的管状金属纳米管。

核壳结构的Ni/NiO作为锂离子电池(Li-ion battery)负极时表现惊艳，可提供高达750 mAh g^?1的可逆容量，循环稳定性优异。更有趣的是，经过还原和置换反应得到的管状钌(Ru)纳米结构，作为无碳阴极应用于锂氧电池(Li-O₂ battery)时，展现出仅78%的能量效率和超过200次的稳定循环性能。

该研究最引人注目的是实现了对材料结构的精准编程控制：通过产物层扩散控制的收缩核机制(product-layer diffusion-controlled shrinking-core mechanism)，既能调控壳层厚度，又能保持宏观尺度下的结构完整性。这种通用且可规模化的制备策略，为开发新一代能源存储系统提供了重要的材料基础，在催化、传感等领域同样具有广阔应用前景。