研 究 背 景
近年来，随着电动车的普及和分布式储能的应用，新一代的钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等特点备受科学家及产业界的关注。但与锂离子电池不同的是，钠离子具有较大的离子半径和较高的还原电位，这使得一些常用的锂离子电池电极材料不适合钠离子电池系统。开发性能优异、价格低廉、易得的负极材料，并深入研究材料在电化学行为中的过程机理，对于提高钠离子电池性能具有重要意义。
基于此，陕西科技大学黄文欢课题组采用廉价、低金属负载量的含能金属有机框架作为前驱体，通过一步热处理的方法制备了一种海绵状的Fe掺杂三维多级孔结构的碳材料（Fe@NCS）。在高温处理中，配体中的高能N-N=N键快速分解产生大量的气体导致了多级孔结构的形成以及Fe原子的高度分散及嵌入，有效的增强了Na+离子的储存和扩散，组装的钠离子电池展现出了良好的倍率和循环稳定性。该成果发表于Chemical Communications。
图1 Fe@NCS材料的制备示意图以及循环性能
本 文 要 点
要点一：利用含能晶态前驱体合成海绵状多孔碳
通过合理的前驱体结构设计，选取了廉价的Fe金属源，组装了含能金属有机骨架(Fe-MET)。通过一步高温热处理的方法，制备了海绵状的Fe掺杂多孔碳（Fe@NCS），结构中孔的分布具有多级性和连续分布的特点。
图2 Fe@NCS的制备，电子全息（电荷密度分布），SEM和TEM表征
要点二：低含量、高分散的Fe原子嵌入
Fe@NCS材料具有大的比表面积、理想的孔结构，电子全息显微镜（图2b-c）及同步辐射（图3e-f）的结果表明Fe原子嵌入碳载体表面作为活性位点，增强了材料多孔结构表面的偶极极化和电子转移，对于Na离子的传导有重要的意义。
图3 Fe@NCS的BET、孔径分布图，XPS，EXAFS和XANES表征
要点三：优异的电化学性能和电化学动力学特性
Fe@NCS的多级孔结构及表面Fe原子修饰，显著增强了钠离子电池的倍率和循环性能，在0.02 A g-1电流密度下循环100圈后放电容量保持在165.5 mAh g-1。在0.2 A g-1下，经过500次循环后仍保持有112.6 mAh g-1的放电容量，与第2圈相比，容量保持率高达93.9%。此外，对多级孔Fe@NCS和非多级孔Fe@NC材料电化学动力学过程的对比，证实了Fe@NCS材料的特殊海绵状孔结构有利于钠离子的扩散。
图4 Fe@NCS等材料在0.02 A g-1电流密度下的充放电曲线和循环性能，倍率，阻抗和电化学动力学分析
图5 Na||Fe@NCS半电池示意图，Fe@NCS在0.02A g-1下的恒流充放电曲线和0.2 A g-1循环性能
文 章 链 接
Sponge-like hierarchical porous carbon decorated by Fe atoms for high-efficient sodium storage and diffusion
W. Huang*, Z. Chen, H. Wang, L. Wang, H. Zhang, and H. Wang,Chemical Communications, 2022, DOI：10.1039/D1CC07305B
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CC/D1CC07305B
作 者 简 介
陈卓
2020年至今就读于陕西科技大学，在黄文欢课题组攻读博士学位。研究课题为功能杂化多孔材料在电池中的传质作用，目前已发表了SCI论文一篇（Chem. Commun., 2022, Advance Article），此外还有2篇论文正在整理中。
通 讯 作 者 简 介
黄文欢 副教授
陕西科技大学化学与化工学院副教授。2005.9-2014.7年就读于西北大学并获得博士学位（导师：王尧宇教授），2016.3-2017.3年在美国亚利桑那大学进行访问研究（合作导师：郑智平教授），2017.11-2020.4年在中国科学院福建物质结构研究所进行博士后研究（合作导师：张健研究员）。主要从事金属有机框架及功能团簇化合物的设计合成及其在光/电催化、吸波、能源存储及转换方面的应用等研究工作。任《Rare Metals》、《稀有金属》两刊编委，《Tungsten》杂志的青年编委。
近年来主持国家项目1项、省部级各类项目6项，获得陕西省高校科学技术奖一等奖1项，陕西省高校科协青年人才托举计划项目。在Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Chemistry Frontiers、Chemical Communications、Carbon、Journal of Power Sources、Nanoscale、Chemistry-A European Journal、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design等国际期刊上发表SCI论文40余篇，综述3篇。其中第一/通讯作者论文36篇，受邀撰写综述3篇，高被引论文5篇，热点论文2篇。授权国家发明专利3项。组织本科生学生参加“挑战杯”课外学术科技竞赛获得省级奖项3项，省级创新基金1项，校级奖项2项；培养研究生获得“优秀毕业生”、“优秀硕士毕业论文”、“国家奖学金”、“研究生高水平科研成果奖励”等。
课 题 组 介 绍
2020年成立“新型无机材料”研究团队，目前拥有特聘教授1名、副教授1名，博士后1名，博士1名，研究生12名。团队主要的研究方向为：（1）金属有机框架、团簇化合物的设计合成及其性能研究（2）金属有机框架衍生化合物在光电催化、能源存贮及转化、电磁波吸波等方面的应用。
“新型无机材料”研究团队诚意面向海内外招聘博士后，待遇优厚，参考网页http://rsc.www.sust.edu.cn/info/1013/2565.htm。此外，欢迎各位同学报考课题组的研究生及博士生。联系邮箱：huangwenhuan@sust.edu.cn。
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