扬州大学庞欢AS：原子级分散金属位点改性生物质衍生硅氧化物助力高性能锂离子电池

第一作者：郭笑天

通讯作者：庞欢*

单位：扬州大学化学化工学院

硅氧化物（SiO_x）被认为是一种很有前景的锂离子电池负极材料，然而其仍然存在固有的低电导率和脱嵌锂时较大的体积膨胀的问题，阻碍了进一步实际应用。许多研究人员致力于采用纳米化、与碳材料或/和金属基材料复合和构筑缓冲空间的策略来解决上述问题，从而提高电化学性能。

此外，过渡金属单原子或金属簇催化剂由于具有良好的电催化性能，在锂/钠-硫电池及电催化领域具有广泛的应用，而其作为锂离子电池负极材料的研究以及探究Li⁺和金属单原子（金属簇）掺杂碳之间的相互作用的报道很少。原子级分散金属-氮-碳还可以增强对Li⁺的吸附能力，提供更多的储锂位点。因此，如何设计利用金属掺杂进一步提高材料的导电性和电化学活性，降低内部SiO_x反应的难度，促进电化学过程中物质或晶型的转变和研究SiO_x的储锂机制，具有重要的研究意义和应用价值。

基于此，庞欢教授在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage”的研究性论文。该文章利用生物质稻壳为硅源实现了以金属原子掺杂碳基质封装SiO_x纳米颗粒，从而制备SiO_x/Fe-N-C复合材料并展现出优异的储锂性能。合成方法简便、环保、产量高，具有很好的普适性，为电储能及转化领域的材料设计提供了思路。

利用稻壳为硅源制备SiO₂纳米颗粒，并利用其载体空间隔离效应和简单的静电喷雾-碳化策略制备SiO_x/Fe-N-C复合材料。通过球差电镜发现SiO_x/Fe-N-C样品中的Fe元素主要以单原子形式存在，微米球边缘位置仅存在少量纳米簇。此外，也已通过同步辐射表征证明SiO_x/Fe-N-C样品中Fe原子与N原子配位，并证实了Fe-N₄位点的形成。

图1. SiO_x/Fe-N-C材料的流程图和形貌表征。

要点2：

合成方法简便、产量及单原子负载量较高（~ 6 wt% Fe），具有很好的普适性。我们同样制备了SiO_x/Co-N-C与SiO_x/Ni-N-C两种材料，其形貌与尺寸未发生明显变化。通过球差电镜与同步辐射分析，前者仅边缘出现少量原子簇，仍主要以Co单原子形式存在，而后者主要以为Ni原子簇的形式存在（图3）。本文高负载量金属掺杂碳材料的设计与制备为电化学存储与转化领域提供了较好的借鉴意义。

图2. SiO_x/Co-N-C和SiO_x/Ni-N-C材料的普适性制备

要点三：

结合电化学测试和DFT理论计算，SiO_x/Fe-N-C复合材料展现出优异的储锂性能。主要可归结于以下几点：

1）Fe-N-C框架可避免SiO_x 纳米颗粒的团聚，提高SiO_x体系的电化学活性且增强对Li⁺的吸附能力，提供更多的储锂位点；

2）Fe-N-C可提高体系导电性，并缓解脱嵌锂时产生的体积膨胀；

3）Fe单原子/原子簇可以促进LixSi相的解离，提高电化学可逆性。

图3. SiO₂、SiO_x/N-C和SiO_x/Fe-N-C材料的电化学性能测试与DFT计算

要点四：总结与展望

本文以可持续稻壳为硅源，通过简便的静电喷雾-碳化策略成功以Fe原子位点分散的碳基质封装SiO_x纳米颗粒，从而构筑了SiO_x/Fe-N-C负极材料。其单原子存在形式和具体的配位环境已证明。

结果表明，与纯SiO₂和非金属掺杂SiO_x/N-C对比，SiO_x/Fe-N-C复合材料的可逆容量、循环稳定性和倍率性能均有显著提升，这一结果与这三类材料的循环前后的表征结果以及DFT计算包括吸附能和态密度计算结果相吻合。最后，这项工作提出了一种合理制备金属单原子（原子簇）掺杂碳/SiO_x复合材料的有效策略并将其应用于高性能锂离子电池，这也有望用于其他储能和转换应用。

Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage, Advanced Science, 2022, 2206084.

庞欢教授简介：南京大学理学博士，扬州大学教授，博士生导师。教育部青年长江学者（2018）；教育部新世纪优秀人才（2013）；江苏省杰出青年（2020）；英国皇家化学学会会士（2022）；全球高被引学者（2020-2022）。EnergyChem管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员、多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事功能化微纳米配合物材料及其衍生物的研究。

近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Angew. Chem等期刊发表SCI论文400多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为85。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部，高教社。授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖(R3)，二等奖(R1)。

郭笑天，博士毕业于扬州大学，现为扬州大学博士后。研究方向为锂离子关键材料的设计与开发、下一代新型电池体系关键电极材料开发，在Advanced Science, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal等期刊已发表论文。

扬州大学庞欢课题组诚招博士后全职博士后招聘 

1. 应聘条件：

（1）纳米化学、配位化学、电化学和生物材料等研究方向，近2年取得或即将取得博士学位；

（2）有较好的研究基础和英语基础，原则上需以第一作者在SCI期刊上发表研究论文2篇或IF〉5.0或一区研究论文1篇；

（3）具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神。

（4）品学兼优，身心健康。

（1）年薪25-30万元（税前）在站期间按照有关规定参加社会保险，缴存住房公积金、新房帖；

（2）可按规定租住学校教职工宿舍，也可领取住房补助；

（3）提供必要的科研条件，博士后可作为负责人申请国家自然科学基金、中国博士后科学基金及江苏省博士后科研资助等项目；

（4）在站期间，根据研究项目需要，可以申请到国（境）外参加国际学术会议或进行短期学术交流、科研合作；

（5）可申报研究系列专业技术职务；

（6）优秀推荐申请江苏省卓越博士后计划项目，30万（叠加工资）。

在站工作期限一般为24个月，如特别优秀的经本人书面申请、导师同意、校博士后管理办公室审核后可适当延长在站时间，延长时间最长不超过1年，延长期内正常发放工资。在站期间需完成下列工作任务：

（1）在站期间至少在学院及以上范围公开进行2次学术报告；

（2）获国家或江苏省博士后科研资助项目1项，或作为主要研究人员参与合作导师主持的国家级科研项目1项；

（3）在SCI来源期刊上发表2篇学术论文或1篇一区以上学术论文（以Online为准），论文需以博士后为第一作者，扬州大学为第一署名单位。

请发送个人简历、主要研究成果等相关资料到：

投稿请联系contact@scimaterials.cn