研 究 背 景

硅氧化物（SiOx）被認為是一種很有前景的鋰離子電池負極材料，然而其仍然存在固有的低電導率和脫嵌鋰時較大的體積膨脹的問題，阻礙了進一步實際應用。許多研究人員致力于采用納米化、與碳材料或/和金屬基材料復合和構筑緩沖空間的策略來解決上述問題，從而提高電化學性能。 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-硫電池及電催化領域具有廣泛的應用，而其作為鋰離子電池負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道很少。原子級分散金屬-氮-碳還可以增強對Li+的吸附能力，提供更多的儲鋰位點。因此，如何設計利用金屬摻雜進一步提高材料的導電性和電化學活性，降低內部SiOx反應的難度，促進電化學過程中物質或晶型的轉變和研究SiOx的儲鋰機制，具有重要的研究意義和應用價值。

文 章 簡 介

基于此，龐歡教授在國際知名期刊Advanced Science上發表題為“Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage”的研究性論文。該文章利用生物質稻殼為硅源實現了以金屬原子摻雜碳基質封裝SiOx納米顆粒，從而制備SiOx/Fe-N-C復合材料并展現出優異的儲鋰性能。合成方法簡便、環保、產量高，具有很好的普適性，為電儲能及轉化領域的材料設計提供了思路。

本 文 要 點

要點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和簡單的靜電噴霧-碳化策略制備SiOx/Fe-N-C復合材料。通過球差電鏡發現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，并證實了Fe-N4位點的形成。

圖1. SiOx/Fe-N-C材料的流程圖和形貌表征。 要點2：合成方法簡便、產量及單原子負載量較高（~ 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）。本文高負載量金屬摻雜碳材料的設計與制備為電化學存儲與轉化領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 要點三：結合電化學測試和DFT理論計算，SiOx/Fe-N-C復合材料展現出優異的儲鋰性能。主要可歸結于以下幾點：1）Fe-N-C框架可避免SiOx納米顆粒的團聚，提高SiOx體系的電化學活性且增強對Li+的吸附能力，提供更多的儲鋰位點；2）Fe-N-C可提高體系導電性，并緩解脫嵌鋰時產生的體積膨脹；3）Fe單原子/原子簇可以促進LixSi相的解離，提高電化學可逆性。

圖3. SiO2、SiOx/N-C和SiOx/Fe-N-C材料的電化學性能測試與DFT計算 要點四：總結與展望本文以可持續稻殼為硅源，通過簡便的靜電噴霧-碳化策略成功以Fe原子位點分散的碳基質封裝SiOx納米顆粒，從而構筑了SiOx/Fe-N-C負極材料。其單原子存在形式和具體的配位環境已證明。 結果表明，與純SiO2和非金屬摻雜SiOx/N-C對比，SiOx/Fe-N-C復合材料的可逆容量、循環穩定性和倍率性能均有顯著提升，這一結果與這三類材料的循環前后的表征結果以及DFT計算包括吸附能和態密度計算結果相吻合。最后，這項工作提出了一種合理制備金屬單原子（原子簇）摻雜碳/SiOx復合材料的有效策略并將其應用于高性能鋰離子電池，這也有望用于其他儲能和轉換應用。

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