研究人員開發出一種簡便高效的合成方案，可用于制備各種鈷基過渡金屬氧化物（TMOs）納米管，包括Co3O4、MnCo2O4和NiCo2O4，而不需要額外使用模板。

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鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高、壽命長、環保等優點，已成為電動汽車和混合動力汽車中最具發展前景的儲能設備。然而，電子工業的快速發展，要求鋰離子電池具有更高的能量密度，以滿足高性能電子器件的需求。

電極通常決定著鋰離子電池的容量。在商用鋰離子電池設備中，碳質材料（尤其是石墨）已得到廣泛應用，但傳統負極的理論容量僅為372 mAhg-1。

為了取代石墨，提高鋰離子電池的能量密度，研究人員已開發了若干其他類型的負極材料，如金屬氧化物、金屬硫化物和合金。在這些材料中，過渡金屬氧化物（TMOs）的理論容量比石墨高2-3倍，是地的石墨替代品，也是鋰離子電池最有前途的負極材料。然而，在反復循環過程中，TMOs普遍存在嚴重的體積膨脹問題。這會導致電極粉化，循環穩定性較差。為了提高其結構穩定性和電化學性能，需要合理設計負極材料。

中空結構TMOs是更好的鋰離子電池負極材料

研究人員開發了具有中空、介孔和分級結構的TMOs，用作鋰離子電池的高性能負極。這種獨特的結構具有巨大的優勢，因此備受關注。

中空的內部可以作為緩沖空間，以適應充放電過程中較大的體積變化，有效防止結構坍塌。因此，可以大大提高負極材料的循環性能。

此外，這種空心結構能夠提供較大的表面積，從而為電極材料提供足夠的鋰存儲位點。與塊狀材料相比，具有中空結構的材料，可以為鋰離子和電子提供更短的擴散路徑。這可以有效促進動力學過程，大大提高速率能力。

基于模板和無模板合成TMOs

基于模板的方法簡便、通用性強，是制備空心結構材料的常用方法。通常情況下，制備具有核-殼結構的前體，并通過熱分解或化學腐蝕除核，是通過基于模板的方法構建空心結構的兩個必要步驟。但是，這種方法成本高，而且會造成環境污染。

此外，基于模板方法制備的空心結構，其幾何構型通常是球形的。這是因為在具有高曲率表面的核心基板上，很難均勻沉積外殼材料。

幾種無模板方法基于水熱/溶劑熱法、柯肯達爾效應、奧氏熟化和靜電紡絲技術，均存在反應周期長、產率低等缺點，嚴重影響其應用。因此，很有必要開發一種簡便高效的合成方案，以便可控制備多種TMOs中空結構，如鈷基TMOs納米管。

兩步無模板法合成鈷基TMOs

該合成方案只需要簡單的兩步，包括制備固態前體的濕化學反應，以及煅燒過程，從而有效避免使用額外的模板。通過該工藝，使用不同的金屬鹽，很容易制備Co3O4和二元鈷基TMOs（包括MnCo2O4和NiCo2O4）。

采用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）等表征技術，對所制備的鈷基TMOs的結構和成分進行分析。結果表明，所有樣品均為空心管狀結構。

追蹤在不同溫度下煅燒的Co3O4納米管前體的形態演變，可以發現在煅燒過程中TMOs 結晶和去除有機化合物同時進行，這對形成所需的中空管狀結構具有關鍵性影響。

通過簡單的煅燒處理，可以在不額外添加模板的情況下合成空心結構。在煅燒過程中，TMOs的結晶和有機化合物熱分解，共同促進形成理想的空心管狀結構。通過在不同溫度下煅燒的固態納米棒前體的形貌演變，可以看到這一點。

無模板Co3O4納米管具有增強性能

作為鋰離子電池的負極，與固態Co3O4納米管相比，無模板Co3O4納米管具有更好的循環性能和倍率性能。這種電化學性能的提升，可以歸功于良好的空心管狀結構。這為電化學重復充放電過程提供了足夠的活性位點、更短的擴散路徑和足夠的緩沖空間。