DOI: 10.1021/acsami.2c19627

金属氧化物作为有前途的钠离子电池电极材料，通常需要暴露在氧气中才能形成，这往往会热腐蚀与之复合的碳材料，降低其柔性和导电性。在此，本文首次提出了一种预氧化辅助机制，利用Bi2S3纳米棒作为多功能模板，通过静电纺丝制备氧化铋/碳纳米纤维（Bi2O3@C-NFs）。在高温煅烧过程中，铋可以通过环化反应形成的C=O键进行氧化，有效避免了高温下碳在氧气气氛中的热腐蚀。更重要的是，随着Bi2S3纳米棒分解产生的Bi的不断扩散和C=O键断裂转化为Bi-O键，在S和N掺杂碳纳米纤维内部形成了均匀分布的Bi2O3纳米点和纵向隧道。受益于预氧化产生的结构和组成优势，Bi2O3@C-NFs自支撑负极显示出高比容量（在0.05A/g下为439mAh/g）、优异的倍率性能（在20A/g的电流密度下为243mAh/g）和出色的循环稳定性（在5A/g下循环2000次后为211mAh/g）。成熟的静电纺丝技术和预氧化辅助机制的有效结合为制备金属氧化物/碳复合材料提供了一种新的途径。

图1.Bi2O3@C-NFs的合成示意图。

图2.（a）O-Bi2S3@C-NFs、Bi@C-NFs-500-1h、Bi@C-NFs-500-4h、Bi&Bi2O3@C-NFs-550-1h、Bi&Bi2O3@C-NFs-550-4h、Bi&Bi2O3@C-NFs-600-10min、Bi&Bi2O3@C-NFs-600-1h、Bi2O3@C-NFs-600-3h和Bi2O3@C-NFs-600-4h的XRD图谱。（b）高分辨率C1s、（C）高分辨率Bi4f和（d）高分辨率N1s的XPS光谱。（e）Bi@C-NFs-500-4h、Bi&Bi2O3@C-NFs-550-4h和Bi2O3@C-NFs-600-4h的C=O带和石墨N含量。

图3.（a-c）Bi2S3、O-Bi2S3@C-NFs和Bi2O3@C-NFs-600-4h的SEM图像。（d）Bi2O3@C-NFs-600-4h的TEM图像以及Bi2O3纳米点的尺寸统计图（插图）。（e和f）Bi2O3@C-NFs-600-4h的HRTEM图像以及相应的SAED图谱（（f）中的插图）。（g-l）Bi2O3@C-NFs-600-4h的HADDF图像和元素映射。

图4.电极的储钠性能。（a）Bi2O3@C-NFs-600-4h在0.01-3.0V范围内的CV曲线，扫描速率为0.1mV/s。（b）Bi@C-NFs-500-4h、Bi&Bi2O3@C-NFs-550-4h和Bi2O3@C-NFs-600-4h在0.05至20A/g不同电流密度下的倍率性能。（c）Bi2O3@C-NFs-600-4h在不同电流密度下的对应恒电流放电/充电曲线。（d）与报道的SIBs用Bi基负极材料的倍率性能比较。（e）Bi@C-NFs-500-4h、Bi&Bi2O3@C-NFs-550-4h和Bi2O3@C-NFs-600-4h在1A/g时的循环性能。（f）Bi2O3@C-NFs-600-4h负极在1A/g下进行不同循环后的对应放电/充电曲线。（g）Bi2O3@C-NFs-600-4h负极在0.2和5A/g下的长期循环性能。

图5.Bi2O3@C-NFs-600-4h的钠储存动力学研究。（a）不同扫描速率下的CV曲线，（b）对数峰值电流与对数扫描速率之间的关系，（c）扫描速率为0.6mV/s时的电容贡献，（d）电容和扩散控制电容与扫描速率的贡献比，和（e）放电/充电过程的GITT曲线以及使用GITT技术计算扩散系数的示意图（插图）。（f）钠离子扩散系数随着放电/充电状态的变化。

图6.（a）Bi2O3@C-NFs-600-4h、（b）Bi@C-NFs-500-4h和（c）Bi&Bi2O3@C-NFs-550-4h在一个循环之后的SEM图像。Bi2O3@C-NFs-600-4h储钠机理的XRD和TEM分析。（d）在第一次放电/充电期间收集的非原位同步加速器XRD的等高线图，（e和f）在0.01和3V电压下的HRTEM图像和SAED图谱，以及（g和h）在0.01和3V电压下的HAADF图像和元素映射。