科學(xué)家發(fā)現(xiàn)摻入金屬化合物鹽可以改善電池性能

　　來(lái)自劍橋大學(xué)、倫敦瑪麗王后大學(xué)和馬克思普朗克固體研究所的科學(xué)家們前不久發(fā)現(xiàn)了一種方法可以使電池在被加入一小撮“鹽”以后在性能上得到很大的提升。

　　他們發(fā)現(xiàn)在高溫“烘焙”摻入了金屬化合物鹽的超大分子的有機(jī)-金屬“海綿”后，這些“海綿”可以變身成為形貌各異的碳基結(jié)構(gòu)。

　　出人意料的是，摻入金屬化合物鹽碳化后的材料不是通常會(huì)得到的無(wú)定形碳基材料，而是一種由網(wǎng)和線組成的復(fù)雜且有序的多層級(jí)結(jié)構(gòu)材料。這類三維立體（3D）多層級(jí)碳基材料作為電池的負(fù)極材料時(shí)可以促進(jìn)電解液中的離子在碳材料中的遷移，因此該類材料在高性能電池中的應(yīng)用前景很大。然而，在以前，3D多層級(jí)碳基材料即使在實(shí)驗(yàn)室條件也很難獲得。

　　科學(xué)家們將這個(gè)令人驚喜的結(jié)果發(fā)表在了《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上，并在文中展示了一種基于該類材料的高性能鋰離子電池，這種電池不光擁有較高的電容量，而且所需的充電時(shí)間很短。

　　由于自然界中的硅藻也具有復(fù)雜且有序的多層級(jí)結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們將他們開發(fā)的這類多層級(jí)結(jié)構(gòu)材料命名為“納米硅藻”（nano-diatom）。他們相信這些“納米硅藻”在儲(chǔ)能和電化學(xué)催化（如催化制氫氣）方面大有用武之地。

　　項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、來(lái)自倫敦瑪麗王后大學(xué)的StoyanSmoukov教授評(píng)論說(shuō)：“這種碳化變形只有在樣品被加熱到800攝氏度時(shí)才會(huì)發(fā)生，猶如美劇《權(quán)力的游戲》里在火中降生的龍一般神奇。令人更加欣喜的是，在最初的驚喜之后，我們還發(fā)現(xiàn)了如何通過(guò)改變化學(xué)組分來(lái)控制這種碳化變形。”

　　碳材料，例如石墨烯和碳納米管，是一類自然界中儲(chǔ)量極為豐富且存在形式變化多端的材料。由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性和高化學(xué)、熱穩(wěn)定性，碳材料迄今為止被廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)能、催化和電子器件等領(lǐng)域。

　　三維立體多層級(jí)碳基材料不但可以保有如大多數(shù)碳材料般良好的物理性質(zhì)（例如優(yōu)良的導(dǎo)電性），而且具備一些特殊的能力。這些三維立體多層級(jí)碳基材料可在諸如制作輕型結(jié)構(gòu)材料、改善碳材料浸潤(rùn)性和增強(qiáng)流體定向?qū)ㄐ缘确矫娲笥凶鳛椤Ｈ欢哂幸?guī)則三維立體多層次結(jié)構(gòu)的碳基材料往往很難被簡(jiǎn)便地制備出來(lái)。在以往，制備這些碳材料的方法幾乎不與適于大規(guī)模量產(chǎn)的“自下而上”的化學(xué)方法兼容。

　　超大分子有機(jī)-金屬“海綿”也稱有機(jī)-金屬框架（metalorganicframework，MOF）材料。MOF大多具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)和納米尺寸的孔，它們目前被認(rèn)為在氣體儲(chǔ)存和分離上有巨大的應(yīng)用前景。碳化后的MOF一般會(huì)保有較大的比表面積，這使得碳化的MOF有作為電池電極材料的潛力。盡管如此，大多數(shù)MOF在碳化后只會(huì)生成具有碳化前形貌的無(wú)定形多孔碳基衍生物。然而，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)向這些MOF“海綿”中添加一些鹽后，碳化的產(chǎn)物竟然成了一系列復(fù)雜且有序的3D多層級(jí)碳基材料。

　　來(lái)自劍橋大學(xué)的合作者R.VasantKumar教授評(píng)論說(shuō)：“這個(gè)工作將MOF的應(yīng)用研究推向了一個(gè)新的高度。這種制作3D多層級(jí)碳基材料的方法不光會(huì)在儲(chǔ)能方面有應(yīng)用前景，而且在能量轉(zhuǎn)化（如催化制氫）和化學(xué)傳感方面的潛力同樣巨大。”

　　文章的第一作者、來(lái)自劍橋大學(xué)的博士生王鐵勝（TieshengWang）說(shuō)：“因?yàn)榭蛇x的MOF和金屬鹽的種類非常多，他們的組合會(huì)有成千上萬(wàn)種可能，在不久的未來(lái)，我們也許會(huì)通過(guò)選擇不同的MOF和金屬鹽來(lái)設(shè)計(jì)和制作我們想要的碳基材料。”

　　這項(xiàng)研究由歐洲研究委員會(huì)（EuropeanResearchCouncil，ERC）資助。王鐵勝博士由國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)（CSC）資助，并得到英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)（theEngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil，EPSRC）支持。

MOF變成納米硅藻的過(guò)程

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