【文章信息】

合肥工業(yè)大學(xué)在”揭示可控雙摻雜膠體中MOF的生長機理，通過超快燒結(jié)制備寬溫度范圍LIB用硬碳負極材料“方向取得進展。

【研究背景】

金屬有機框架（MOF）衍生的碳材料在各個領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注，特別是在鋰離子電池（LIB）中，因為它們具有非凡的性能，包括高表面積、永久孔隙率、可控功能等。它們獨特的多孔結(jié)構(gòu)允許有效的離子擴散，并增強了活性位點的可及性。它們可調(diào)的化學(xué)成分和表面功能使定制的電極設(shè)計成為可能，優(yōu)化了電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性。同時，它們的合成具有成本效益和可擴展性。因此，將MOF衍生的碳材料集成到LIB中可以提高電池的容量、倍率能力、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。合肥工業(yè)大學(xué)項宏發(fā)/宋曉輝課題組應(yīng)用原位液相TEM（LPTEM）探索了ZIF-8納米粒子在溶液中的生長機理。我們發(fā)現(xiàn)，生長過程涉及傳統(tǒng)的經(jīng)典成核機制和非經(jīng)典成核生長過程。然后，采用超快高溫?zé)Y(jié)（UHS）技術(shù)[39-41]碳化ZIF-8納米粒子，控制超快燒結(jié)溫度和時間，以調(diào)節(jié)收集的硬碳中的Zn摻雜和N摻雜（Zn-N摻雜），這通常會產(chǎn)生局部電場，促進Li⁺（或Na⁺）的快速體相傳輸。

【文章簡介】

本研究展示了一種實用的MOF衍生物生成路線，具有出色的效率和降低的能耗，從而為具有寬溫度范圍應(yīng)用效益的LIB提供了一種有前景的策略。

【本文要點】

要點一：ZIF-8納米粒子生長動力學(xué)

對于ZIF-8粒子生長機制的研究主要集中在闡明ZIF-8顆粒的成核和生長過程，揭示其形成動力學(xué)、形貌控制和結(jié)晶度增強。通過溫度、壓力和前驅(qū)體濃度的變化，可以深入了解成核和生長速率，以及控制該過程的機制。通過使用不同的溶劑、表面活性劑或模板導(dǎo)向合成方法研究探索了控制ZIF-8顆粒形態(tài)的方法，系統(tǒng)地改變合成參數(shù)并使用電子顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)表征所得顆粒，了解不同因素如何影響顆粒形狀、尺寸和表面性質(zhì)。通過添加劑改變反應(yīng)動力學(xué)或采用退火或溶劑交換等合成后處理，提高ZIF-8顆粒的結(jié)晶度。通過計算研究，包括動力學(xué)模擬，已被用于在原子尺度上模擬ZIF-8顆粒的成核和生長過程，將模擬結(jié)果與實驗觀察結(jié)果進行比較，驗證了理論模型，并確定了驅(qū)動ZIF-8顆粒生長的關(guān)鍵因素。

要點二：通過超快速高溫?zé)Y(jié)產(chǎn)生雙摻雜硬碳

MOF衍生的硬碳材料在LIB中的應(yīng)用具有優(yōu)勢，但在實現(xiàn)可控的Zn（或Ni、Co）單原子摻雜、N摻雜和保持微盒形態(tài)方面仍存在挑戰(zhàn)，這對于確保長期穩(wěn)定性和與現(xiàn)有電池架構(gòu)的兼容性非常重要。但是傳統(tǒng)的管式爐燒結(jié)，由于長時間的燒結(jié)，在高溫下單原子會進行擴散，導(dǎo)致燒結(jié)完后單原子的含量降低，從而導(dǎo)致電化學(xué)性能下降。為了解決上述問題，通過超快速高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，在極短的時間內(nèi)升高溫度，是的單原子沒有足夠的時間擴散，從而保留在金屬框架內(nèi)，實現(xiàn)高的單原子的催化作用。

要點三：3D電子斷層掃描

電子斷層掃描在成像材料的3D形態(tài)方面具有無與倫比的（亞）納米分辨率，這對于描繪合成、形態(tài)和性能之間的關(guān)系至關(guān)重要。然而，電子斷層掃描長期以來一直受到實驗上不可避免的缺失楔形效應(yīng)的困擾，這導(dǎo)致最終重建中出現(xiàn)了不希望的、有時甚至是大量的失真。本工作為了更好地了解碳化ZIF-8的結(jié)構(gòu)特征，采用了3D電子斷層掃描，并利用U-net深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進行三維重構(gòu)，獲得了納米籠的3D結(jié)構(gòu)，揭示了ZIF-8多面體納米顆粒結(jié)構(gòu)。感謝合肥原位科技在原位液相TEM實驗和焦耳熱快速燒結(jié)實驗中提供的技術(shù)支持！

【文章鏈接】

Bolin Zou, et al, Unraveling MOF Growth in Colloids with Controllable Dual-Doping through Ultrafast Sintering for Wide Temperature Range LIBs, Advanced Science, 2024, 157830

DOI: 10.1016/j.cej.2024.157830