应用成果

【文章信息】

合肥工业大学在”揭示可控双掺杂胶体中MOF的生长机理，通过超快烧结制备宽温度范围LIB用硬碳负极材料“方向取得进展。

【研究背景】

金属有机框架（MOF）衍生的碳材料在各个领域都引起了极大的关注，特别是在锂离子电池（LIB）中，因为它们具有非凡的性能，包括高表面积、永久孔隙率、可控功能等。它们独特的多孔结构允许有效的离子扩散，并增强了活性位点的可及性。它们可调的化学成分和表面功能使定制的电极设计成为可能，优化了电池容量和循环稳定性。同时，它们的合成具有成本效益和可扩展性。因此，将MOF衍生的碳材料集成到LIB中可以提高电池的容量、倍率能力、循环稳定性和安全性。合肥工业大学项宏发/宋晓辉课题组应用原位液相TEM（LPTEM）探索了ZIF-8纳米粒子在溶液中的生长机理。我们发现，生长过程涉及传统的经典成核机制和非经典成核生长过程。然后，采用超快高温烧结（UHS）技术[39-41]碳化ZIF-8纳米粒子，控制超快烧结温度和时间，以调节收集的硬碳中的Zn掺杂和N掺杂（Zn-N掺杂），这通常会产生局部电场，促进Li⁺（或Na⁺）的快速体相传输。

【文章简介】

本研究展示了一种实用的MOF衍生物生成路线，具有出色的效率和降低的能耗，从而为具有宽温度范围应用效益的LIB提供了一种有前景的策略。

【本文要点】

要点一：ZIF-8纳米粒子生长动力学

对于ZIF-8粒子生长机制的研究主要集中在阐明ZIF-8颗粒的成核和生长过程，揭示其形成动力学、形貌控制和结晶度增强。通过温度、压力和前驱体浓度的变化，可以深入了解成核和生长速率，以及控制该过程的机制。通过使用不同的溶剂、表面活性剂或模板导向合成方法研究探索了控制ZIF-8颗粒形态的方法，系统地改变合成参数并使用电子显微镜和X射线衍射等技术表征所得颗粒，了解不同因素如何影响颗粒形状、尺寸和表面性质。通过添加剂改变反应动力学或采用退火或溶剂交换等合成后处理，提高ZIF-8颗粒的结晶度。通过计算研究，包括动力学模拟，已被用于在原子尺度上模拟ZIF-8颗粒的成核和生长过程，将模拟结果与实验观察结果进行比较，验证了理论模型，并确定了驱动ZIF-8颗粒生长的关键因素。

要点二：通过超快速高温烧结产生双掺杂硬碳

MOF衍生的硬碳材料在LIB中的应用具有优势，但在实现可控的Zn（或Ni、Co）单原子掺杂、N掺杂和保持微盒形态方面仍存在挑战，这对于确保长期稳定性和与现有电池架构的兼容性非常重要。但是传统的管式炉烧结，由于长时间的烧结，在高温下单原子会进行扩散，导致烧结完后单原子的含量降低，从而导致电化学性能下降。为了解决上述问题，通过超快速高温烧结技术，在极短的时间内升高温度，是的单原子没有足够的时间扩散，从而保留在金属框架内，实现高的单原子的催化作用。

要点三：3D电子断层扫描

电子断层扫描在成像材料的3D形态方面具有无与伦比的（亚）纳米分辨率，这对于描绘合成、形态和性能之间的关系至关重要。然而，电子断层扫描长期以来一直受到实验上不可避免的缺失楔形效应的困扰，这导致最终重建中出现了不希望的、有时甚至是大量的失真。本工作为了更好地了解碳化ZIF-8的结构特征，采用了3D电子断层扫描，并利用U-net深度学习网络进行三维重构，获得了纳米笼的3D结构，揭示了ZIF-8多面体纳米颗粒结构。感谢合肥原位科技在原位液相TEM实验和焦耳热快速烧结实验中提供的技术支持！

【文章链接】

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