TY - JOUR A1 - Xie, Dongjiu A1 - Xu, Yaolin A1 - Wang, Yonglei A1 - Pan, Xuefeng A1 - Härk, Eneli A1 - Kochovski, Zdravko A1 - Eljarrat, Alberto A1 - Müller, Johannes A1 - Koch, Christoph T. A1 - Yuan, Jiayin A1 - Lu, Yan T1 - Poly(ionic liquid) nanovesicle-templated carbon nanocapsules functionalized with uniform iron nitride nanoparticles as catalytic sulfur host for Li-S batteries JF - ACS nano N2 - Poly(ionic liquid)s (PIL) are common precursors for heteroatom-doped carbon materials. Despite a relatively higher carbonization yield, the PIL-to-carbon conversion process faces challenges in preserving morphological and structural motifs on the nanoscale. Assisted by a thin polydopamine coating route and ion exchange, imidazoliumbased PIL nanovesicles were successfully applied in morphology-maintaining carbonization to prepare carbon composite nanocapsules. Extending this strategy further to their composites, we demonstrate the synthesis of carbon composite nanocapsules functionalized with iron nitride nanoparticles of an ultrafine, uniform size of 3-5 nm (termed "FexN@C "). Due to its unique nanostructure, the sulfur-loaded FexN@C electrode was tested to efficiently mitigate the notorious shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) in Li-S batteries. The cavity of the carbon nanocapsules was spotted to better the loading content of sulfur. The well-dispersed iron nitride nanoparticles effectively catalyze the conversion of LiPSs to Li2S, owing to their high electronic conductivity and strong binding power to LiPSs. Benefiting from this well-crafted composite nanostructure, the constructed FexN@C/S cathode demonstrated a fairly high discharge capacity of 1085 mAh g(-1) at 0.5 C initially, and a remaining value of 930 mAh g(-1 )after 200 cycles. In addition, it exhibits an excellent rate capability with a high initial discharge capacity of 889.8 mAh g(-1) at 2 C. This facile PIL-to-nanocarbon synthetic approach is applicable for the exquisite design of complex hybrid carbon nanostructures with potential use in electrochemical energy storage and conversion. KW - poly(ionic liquid)s KW - nanovesicles KW - sulfur host KW - iron nitride KW - Li-S KW - batteries Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01992 SN - 1936-0851 SN - 1936-086X VL - 16 IS - 7 SP - 10554 EP - 10565 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Xie, Dongjiu A1 - Mei, Shilin A1 - Xu, Yaolin A1 - Quan, Ting A1 - Haerk, Eneli A1 - Kochovski, Zdravko A1 - Lu, Yan T1 - Efficient sulfur host based on yolk-shell iron oxide/sulfide-carbon nanospindles for lithium-sulfur batteries JF - ChemSusChem : chemistry, sustainability, energy, materials N2 - Numerous nanostructured materials have been reported as efficient sulfur hosts to suppress the problematic "shuttling" of lithium polysulfides (LiPSs) in lithium-sulfur (Li-S) batteries. However, direct comparison of these materials in their efficiency of suppressing LiPSs shuttling is challenging, owing to the structural and morphological differences between individual materials. This study introduces a simple route to synthesize a series of sulfur host materials with the same yolk-shell nanospindle morphology but tunable compositions (Fe3O4, FeS, or FeS2), which allows for a systematic investigation into the specific effect of chemical composition on the electrochemical performances of Li-S batteries. Among them, the S/FeS2-C electrode exhibits the best performance and delivers an initial capacity of 877.6 mAh g(-1) at 0.5 C with a retention ratio of 86.7 % after 350 cycles. This approach can also be extended to the optimization of materials for other functionalities and applications. KW - batteries KW - electrode materials KW - lithium sulfides KW - yolk-shell KW - nanostructures Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1002/cssc.202002731 SN - 1864-5631 SN - 1864-564X VL - 14 IS - 5 SP - 1404 EP - 1413 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Xie, Dongjiu A1 - Jouini, Oumeima A1 - Mei, Shilin A1 - Quan, Ting A1 - Xu, Yaolin A1 - Kochovski, Zdravko A1 - Lu, Yan T1 - Spherical polyelectrolyte brushes templated hollow C@MnO nanospheres as sulfur host materials for Li-S batteries JF - ChemNanoMat : Chemistry of Nanomaterials for Energy, Biology and More N2 - Li-S battery has been considered as the next-generation energy storage device, which still suffers from the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs). In this work, mesoporous hollow carbon-coated MnO nanospheres (C@MnO) have been designed and synthesized using spherical polyelectrolyte brushes (SPB) as template, KMnO4 as MnO precursor, and polydopamine as carbon source to improve the electrochemical performance of Li-S battery. The hollow C@MnO nanospheres enable the combination of physical confinement and chemical adsorption of the LiPSs. The thin carbon coating layer can provide good electrical conductivity and additional physical confinement to polysulfides. Moreover, the encapsulated MnO inside the carbon shell exhibits strong chemical adsorption to polysulfides. The constructed C@MnO/S cathode shows the discharge capacity of 1026 mAh g(-1) at 0.1 C with 79% capacity retention after 80 cycles. The synthesized hollow C@MnO nanoparticles can work as highly efficient sulfur host materials, providing an effective solution to suppress the shuttle effect in Li-S battery. KW - hollow nanospheres KW - lithium-sulfur battery KW - manganese monoxide KW - sperical KW - polyelectrolyte brushes Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/cnma.202100455 SN - 2199-692X VL - 8 IS - 4 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Xie, Dongjiu T1 - Nanostructured Iron-based compounds as sulfur host material for lithium-sulfur batteries T1 - Nanostrukturierte Eisenverbindungen als Schwefel-Wirtsmaterial für Lithium-Schwefel-Batterien N2 - The present thesis focuses on the synthesis of nanostructured iron-based compounds by using β-FeOOH nanospindles and poly(ionic liquid)s (PILs) vesicles as hard and soft templates, respectively, to suppress the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) in Li-S batteries. Three types of composites with different nanostructures (mesoporous nanospindle, yolk-shell nanospindle, and nanocapsule) have been synthesized and applied as sulfur host material for Li-S batteries. Their interactions with LiPSs and effects on the electrochemical performance of Li-S batteries have been systematically studied. In the first part of the thesis, carbon-coated mesoporous Fe3O4 (C@M-Fe3O4) nanospindles have been synthesized to suppress the shuttle effect of LiPSs. First, β-FeOOH nanospindles have been synthesized via the hydrolysis of iron (III) chloride in aqueous solution and after silica coating and subsequent calcination, mesoporous Fe2O3 (M-Fe2O3) have been obtained inside the confined silica layer through pyrolysis of β-FeOOH. After the removal of the silica layer, electron tomography (ET) has been applied to rebuild the 3D structure of the M-Fe2O3 nanospindles. After coating a thin layer of polydopamine (PDA) as carbon source, the PDA-coated M-Fe2O3 particles have been calcinated to synthesize C@M-Fe3O4 nanospindles. With the chemisorption of Fe3O4 and confinement of mesoporous structure to anchor LiPSs, the composite C@M-Fe3O4/S electrode delivers a remaining capacity of 507.7 mAh g-1 at 1 C after 600 cycles. In the second part of the thesis, a series of iron-based compounds (Fe3O4, FeS2, and FeS) with the same yolk-shell nanospindle morphology have been synthesized, which allows for the direct comparison of the effects of compositions on the electrochemical performance of Li-S batteries. The Fe3O4-carbon yolk-shell nanospindles have been synthesized by using the β-FeOOH nanospindles as hard template. Afterwards, Fe3O4-carbon yolk-shell nanospindles have been used as precursors to obtain iron sulfides (FeS and FeS2)-carbon yolk-shell nanospindles through sulfidation at different temperatures. Using the three types of yolk-shell nanospindles as sulfur host, the effects of compositions on interactions with LiPSs and electrochemical performance in Li-S batteries have been systematically investigated and compared. Benefiting from the chemisorption and catalytic effect of FeS2 particles and the physical confinement of the carbon shell, the FeS2-C/S electrode exhibits the best electrochemical performance with an initial specific discharge capacity of 877.6 mAh g-1 at 0.5 C and a retention ratio of 86.7% after 350 cycles. In the third part, PILs vesicles have been used as soft template to synthesize carbon nanocapsules embedded with iron nitride particles to immobilize and catalyze LiPSs in Li-S batteries. First, 3-n-decyl-1-vinylimidazolium bromide has been used as monomer to synthesize PILs nanovesicles by free radical polymerization. Assisted by PDA coating route and ion exchange, PIL nanovesicles have been successfully applied as soft template in morphology-maintaining carbonization to prepare carbon nanocapsules embedded with iron nitride nanoparticles (FexN@C). The well-dispersed iron nitride nanoparticles effectively catalyze the conversion of LiPSs to Li2S, owing to their high electrical conductivity and strong chemical binding to LiPSs. The constructed FexN@C/S cathode demonstrates a high initial discharge capacity of 1085.0 mAh g-1 at 0.5 C with a remaining value of 930.0 mAh g-1 after 200 cycles. The results in the present thesis demonstrate the facile synthetic routes of nanostructured iron-based compounds with controllable morphologies and compositions using soft and hard colloidal templates, which can be applied as sulfur host to suppress the shuttle behavior of LiPSs. The synthesis approaches developed in this thesis are also applicable to fabricating other transition metal-based compounds with porous nanostructures for other applications. N2 - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese von nanostrukturierten Verbindungen auf Eisenbasis unter Verwendung von β-FeOOH-Nanospindeln und Vesikeln aus Poly(ionischen Flüssigkeiten) (PILs) als harte bzw. weiche Vorlagen, um den Shuttle-Effekt von Lithiumpolysulfiden (LiPSs) in Li-S-Batterien zu unterdrücken. Drei Arten von Verbundstoffen mit unterschiedlichen Nanostrukturen (mesoporöse Nanospindel, Dotterschalen-Nanospindel und Nanokapsel) wurden synthetisiert und als Schwefel-Wirtsmaterial für Li-S-Batterien eingesetzt. Ihre Wechselwirkungen mit LiPS und ihre Auswirkungen auf die elektrochemische Leistung von Li-S-Batterien wurden systematisch untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurden kohlenstoffbeschichtete mesoporöse Fe3O4 (C@M-Fe3O4) Nanospindeln synthetisiert, um den Shuttle-Effekt von LiPSs zu unterdrücken. Zunächst wurden β-FeOOH-Nanospindeln durch Hydrolyse von Eisen(III)-chlorid in wässriger Lösung synthetisiert. Nach der Beschichtung mit Siliziumdioxid und anschließender Kalzinierung wurde mesoporöses Fe2O3 (M-Fe2O3) innerhalb der begrenzten Siliziumdioxidschicht durch Pyrolyse von β-FeOOH erhalten. Nach der Entfernung der Siliziumdioxidschicht wurde Elektronentomographie (ET) eingesetzt, um die 3D-Struktur der M-Fe2O3-Nanospindeln zu rekonstruieren. Nach der Beschichtung mit einer dünnen Schicht Polydopamin (PDA) als Kohlenstoffquelle wurden die PDA-beschichteten M-Fe2O3-Partikel kalziniert, um C@M-Fe3O4-Nanospindeln zu synthetisieren. Durch die Chemisorption von Fe3O4 und die Einschließung der mesoporösen Struktur zur Verankerung der LiPSs liefert die zusammengesetzte C@M-Fe3O4/S-Elektrode nach 600 Zyklen eine Restkapazität von 507,7 mAh g-1 bei 1 C. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Reihe von eisenbasierten Verbindungen (Fe3O4, FeS2, und FeS) mit der gleichen Dotterschalen-Nanospindel-Morphologie synthetisiert, was einen direkten Vergleich der Auswirkungen der Zusammensetzungen auf die elektrochemische Leistung von Li S-Batterien ermöglicht. Die Fe3O4-Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln wurden unter Verwendung der β-FeOOH-Nanospindeln als harte Vorlage synthetisiert. Anschließend wurden Fe3O4-Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln als Vorläufer verwendet, um Eisensulfide (FeS und FeS2) - Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln durch Sulfidierung bei verschiedenen Temperaturen zu erhalten. Durch Verwendung der drei Arten von Dotterschalen-Nanospindeln als Schwefelwirt wurden die Auswirkungen der Zusammensetzungen auf die Wechselwirkungen mit LiPS und die elektrochemische Leistung in Li-S-Batterien systematisch untersucht und verglichen. Die FeS2-C/S-Elektrode, die von der Chemisorption und der katalytischen Wirkung der FeS2-Teilchen und dem physikalischen Einschluss der Kohlenstoffschale profitiert, zeigt die beste elektrochemische Leistung mit einer anfänglichen spezifischen Entladekapazität von 877,6 mAh g-1 bei 0,5 C und einem Kapazitätserhalt von 86,7 % nach 350 Zyklen. Im dritten Teil wurden PILs-Vesikel als weiche Vorlage verwendet, um Kohlenstoff-Nanokapseln zu synthetisieren, die mit Eisennitridpartikeln durchsetzt sind, um LiPSs in Li-S-Batterien zu immobilisieren und deren Umwandlung zu katalysieren. Zunächst wurde 3-n-Decyl-1-Vinylimidazoliumbromid als Monomer für die Synthese von PIL-Nanovesikeln durch radikalische Polymerisation verwendet. Mit Hilfe der PDA-Beschichtung und des Ionenaustauschs wurden die PIL-Nanomoleküle erfolgreich als weiche Vorlage bei der morphologieerhaltenden Karbonisierung eingesetzt, um Kohlenstoff-Nanokapseln mit eingebetteten Eisennitrid-Nanopartikeln (FexN@C) herzustellen. Die gut dispergierten Eisennitrid-Nanopartikel katalysieren die Umwandlung von LiPS in Li2S aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und starken chemischen Bindung an LiPS effektiv. Die konstruierte FexN@C/S-Kathode zeigt eine hohe anfängliche Entladekapazität von 1085,0 mAh g-1 bei 0,5 C mit einer verbleibenden Kapazität von 930,0 mAh g-1 nach 200 Zyklen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich nanostrukturierte eisenbasierte Verbindungen mit kontrollierbarer Morphologie und Zusammensetzung leicht synthetisieren lassen, indem weiche und harte kolloidale Template verwendet werden, die als Schwefelwirt eingesetzt werden können, um das Shuttle-Verhalten von LiPS zu unterdrücken. Die in dieser Arbeit entwickelten Syntheseansätze sind auch für die Herstellung anderer Verbindungen auf Übergangsmetallbasis mit porösen Nanostrukturen für andere Anwendungen einsetzbar. KW - sulfur host KW - Schwefelwirt KW - Li-S batteries KW - Li-S-Batterien KW - iron-based compounds KW - Verbindungen auf Eisenbasis KW - nanospindles KW - Nanospindeln KW - vesicles KW - Vesikel KW - nanocapsules KW - Nanokapseln KW - poly(ionic liquid)s KW - poly(ionische Flüssigkeiten) KW - electron tomography KW - Elektronentomographie KW - cryo-electron microscopy KW - Kryo-Elektronenmikroskopie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610369 ER - TY - JOUR A1 - Saeedi Garakani, Sadaf A1 - Xie, Dongjiu A1 - Khorsand Kheirabad, Atefeh A1 - Lu, Yan A1 - Yuan, Jiayin T1 - Template-synthesis of a poly(ionic liquid)-derived Fe1-xS/nitrogen-doped porous carbon membrane and its electrode application in lithium-sulfur batteries JF - Materials advances N2 - This study deals with the facile synthesis of Fe1-xS nanoparticle-containing nitrogen-doped porous carbon membranes (denoted as Fe1-xS/N-PCMs) via vacuum carbonization of hybrid porous poly(ionic liquid) (PIL) membranes, and their successful use as a sulfur host material to mitigate the shuttle effect in lithium-sulfur (Li-S) batteries. The hybrid porous PIL membranes as the sacrificial template were prepared via ionic crosslinking of a cationic PIL with base-neutralized 1,1 '-ferrocenedicarboxylic acid, so that the iron source was molecularly incorporated into the template. The carbonization process was investigated in detail at different temperatures, and the chemical and porous structures of the carbon products were comprehensively analyzed. The Fe1-xS/N-PCMs prepared at 900 degrees C have a multimodal pore size distribution with a satisfactorily high surface area and well-dispersed iron sulfide nanoparticles to physically and chemically confine the LiPSs. The sulfur/Fe1-xS/N-PCM composites were then tested as electrodes in Li-S batteries, showing much improved capacity, rate performance and cycle stability, in comparison to iron sulfide-free, nitrogen-doped porous carbon membranes. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1039/d1ma00441g SN - 2633-5409 VL - 2 IS - 15 SP - 5203 EP - 5212 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER -