【文章信息】

合肥工業大學在”揭示可控雙摻雜膠體中MOF的生長機理，通過超快燒結制備寬溫度范圍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域都引起了極大的關注，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。它們獨特的多孔結構允許有效的離子擴散，并增強了活性位點的可及性。它們可調的化學成分和表面功能使定制的電極設計成為可能，優化了電池容量和循環穩定性。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、循環穩定性和安全性。合肥工業大學項宏發/宋曉輝課題組應用原位液相TEM（LPTEM）探索了ZIF-8納米粒子在溶液中的生長機理。我們發現，生長過程涉及傳統的經典成核機制和非經典成核生長過程。然后，采用超快高溫燒結（UHS）技術[39-41]碳化ZIF-8納米粒子，控制超快燒結溫度和時間，以調節收集的硬碳中的Zn摻雜和N摻雜（Zn-N摻雜），這通常會產生局部電場，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

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、形貌控制和結晶度增強。通過溫度、壓力和前驅體濃度的變化，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向合成方法研究探索了控制ZIF-8顆粒形態的方法，系統地改變合成參數并使用電子顯微鏡和X射線衍射等技術表征所得顆粒，了解不同因素如何影響顆粒形狀、尺寸和表面性質。通過添加劑改變反應動力學或采用退火或溶劑交換等合成后處理，提高ZIF-8顆粒的結晶度。通過計算研究，包括動力學模擬，已被用于在原子尺度上模擬ZIF-8顆粒的成核和生長過程，將模擬結果與實驗觀察結果進行比較，驗證了理論模型，并確定了驅動ZIF-8顆粒生長的關鍵因素。

要點二：通過超快速高溫燒結產生雙摻雜硬碳

MOF衍生的硬碳材料在LIB中的應用具有優勢，但在實現可控的Zn（或Ni、Co）單原子摻雜、N摻雜和保持微盒形態方面仍存在挑戰，這對于確保長期穩定性和與現有電池架構的兼容性非常重要。但是傳統的管式爐燒結，由于長時間的燒結，在高溫下單原子會進行擴散，導致燒結完后單原子的含量降低，從而導致電化學性能下降。為了解決上述問題，通過超快速高溫燒結技術，在極短的時間內升高溫度，是的單原子沒有足夠的時間擴散，從而保留在金屬框架內，實現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形態方面具有無與倫比的（亞）納米分辨率，這對于描繪合成、形態和性能之間的關系至關重要。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的困擾，這導致最終重建中出現了不希望的、有時甚至是大量的失真。本工作為了更好地了解碳化ZIF-8的結構特征，采用了3D電子斷層掃描，并利用U-net深度學習網絡進行三維重構，獲得了納米籠的3D結構，揭示了ZIF-8多面體納米顆粒結構。感謝合肥原位科技在原位液相TEM實驗和焦耳熱快速燒結實驗中提供的技術支持！

【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