研 究 背 景

硅氧化物（SiOx）被認(rèn)為是一種很有前景的鋰離子電池負(fù)極材料，然而其仍然存在固有的低電導(dǎo)率和脫嵌鋰時(shí)較大的體積膨脹的問題，阻礙了進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用。許多研究人員致力于采用納米化、與碳材料或/和金屬基材料復(fù)合和構(gòu)筑緩沖空間的策略來解決上述問題，從而提高電化學(xué)性能。 此外，過渡金屬單原子或金屬簇催化劑由于具有良好的電催化性能，在鋰/鈉-硫電池及電催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而其作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究以及探究Li+和金屬單原子（金屬簇）摻雜碳之間的相互作用的報(bào)道很少。原子級(jí)分散金屬-氮-碳還可以增強(qiáng)對(duì)Li+的吸附能力，提供更多的儲(chǔ)鋰位點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)利用金屬摻雜進(jìn)一步提高材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性，降低內(nèi)部SiOx反應(yīng)的難度，促進(jìn)電化學(xué)過程中物質(zhì)或晶型的轉(zhuǎn)變和研究SiOx的儲(chǔ)鋰機(jī)制，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

文 章 簡(jiǎn) 介

基于此，龐歡教授在國(guó)際知名期刊Advanced Science上發(fā)表題為“Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage”的研究性論文。該文章利用生物質(zhì)稻殼為硅源實(shí)現(xiàn)了以金屬原子摻雜碳基質(zhì)封裝SiOx納米顆粒，從而制備SiOx/Fe-N-C復(fù)合材料并展現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。合成方法簡(jiǎn)便、環(huán)保、產(chǎn)量高，具有很好的普適性，為電儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的材料設(shè)計(jì)提供了思路。

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)1：利用稻殼為硅源制備SiO2納米顆粒，并利用其載體空間隔離效應(yīng)和簡(jiǎn)單的靜電噴霧-碳化策略制備SiOx/Fe-N-C復(fù)合材料。通過球差電鏡發(fā)現(xiàn)SiOx/Fe-N-C樣品中的Fe元素主要以單原子形式存在，微米球邊緣位置僅存在少量納米簇。此外，也已通過同步輻射表征證明SiOx/Fe-N-C樣品中Fe原子與N原子配位，并證實(shí)了Fe-N4位點(diǎn)的形成。

圖1. SiOx/Fe-N-C材料的流程圖和形貌表征。 要點(diǎn)2：合成方法簡(jiǎn)便、產(chǎn)量及單原子負(fù)載量較高（~ 6 wt% Fe），具有很好的普適性。我們同樣制備了SiOx/Co-N-C與SiOx/Ni-N-C兩種材料，其形貌與尺寸未發(fā)生明顯變化。通過球差電鏡與同步輻射分析，前者僅邊緣出現(xiàn)少量原子簇，仍主要以Co單原子形式存在，而后者主要以為Ni原子簇的形式存在（圖3）。本文高負(fù)載量金屬摻雜碳材料的設(shè)計(jì)與制備為電化學(xué)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域提供了較好的借鑒意義。

圖2. SiOx/Co-N-C和SiOx/Ni-N-C材料的普適性制備 要點(diǎn)三：結(jié)合電化學(xué)測(cè)試和DFT理論計(jì)算，SiOx/Fe-N-C復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。主要可歸結(jié)于以下幾點(diǎn)：1）Fe-N-C框架可避免SiOx納米顆粒的團(tuán)聚，提高SiOx體系的電化學(xué)活性且增強(qiáng)對(duì)Li+的吸附能力，提供更多的儲(chǔ)鋰位點(diǎn)；2）Fe-N-C可提高體系導(dǎo)電性，并緩解脫嵌鋰時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹；3）Fe單原子/原子簇可以促進(jìn)LixSi相的解離，提高電化學(xué)可逆性。

圖3. SiO2、SiOx/N-C和SiOx/Fe-N-C材料的電化學(xué)性能測(cè)試與DFT計(jì)算 要點(diǎn)四：總結(jié)與展望本文以可持續(xù)稻殼為硅源，通過簡(jiǎn)便的靜電噴霧-碳化策略成功以Fe原子位點(diǎn)分散的碳基質(zhì)封裝SiOx納米顆粒，從而構(gòu)筑了SiOx/Fe-N-C負(fù)極材料。其單原子存在形式和具體的配位環(huán)境已證明。 結(jié)果表明，與純SiO2和非金屬摻雜SiOx/N-C對(duì)比，SiOx/Fe-N-C復(fù)合材料的可逆容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能均有顯著提升，這一結(jié)果與這三類材料的循環(huán)前后的表征結(jié)果以及DFT計(jì)算包括吸附能和態(tài)密度計(jì)算結(jié)果相吻合。最后，這項(xiàng)工作提出了一種合理制備金屬單原子（原子簇）摻雜碳/SiOx復(fù)合材料的有效策略并將其應(yīng)用于高性能鋰離子電池，這也有望用于其他儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

文 章 鏈 接

Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage, Advanced Science, 2022, 2206084.https://doi.org/10.1002/advs.202206084.


審核編輯 ：李倩