Dongjiu Xie

• 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 removalThe 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.…
• 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 Fe2O3Die 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.…