控制生长动力学实现碳材料自中空，暨大团队突破电池技术瓶颈

控制生长动力学实现碳材料自中空，暨大团队突破电池技术瓶颈

暨南大学研究团队近日在中空纳米多孔碳结构（HNCs）制备方面取得重要突破。该团队通过控制金属有机框架（MOFs）晶体的生长动力学，成功实现了功能性HNCs的简单通用合成，并展示了这些材料在钠离子电池中的优异性能。相关研究成果已发表于《Angewandte Chemie International Edition》。

中空纳米多孔碳结构(HNCs)在各种应用中具有显著的实用价值。长期以来HNCs的简易高效制备一直是追求的目标，但仍然具有挑战性。

暨南大学李丹教授、周小平教授、宾德善教授团队首次证明，单组分金属有机框架(MOFs)晶体，而不是广泛报道的需要繁琐操作才能制备的杂化晶体，可以实现功能性HNCs的简单和通用合成。通过控制生长动力学，MOFs晶体(STU-1)很容易被设计成具有指定类型的晶体不均匀性的不同形状。这些具有颗粒内差异的MOFs的随后一步热解可以诱导同时的自中空和碳化过程，从而产生各种功能性HNCs，包括卵黄壳多面体、中空微球、介孔结构和超结构。

与现有方法相比，这种合成策略仅依赖于单组分MOFs晶体的复杂性质，而不涉及涂层、蚀刻或配体交换等繁琐操作，使其方便、高效且易于扩大规模。超稳定的钠离子电池阳极由具有非凡循环能力的HNCs证明(在8000次循环中保持93%的容量)，突出了HNCs的高水平功能。

本文报道了一种简单、高效和可调的策略来制备用于超稳定钠离子存储的功能性HNCs。该合成策略仅依赖于单组分MOF(STU-1)。作者首次发现，通过简单控制生长动力学变量，如正常溶液反应中的配体/金属离子浓度和溶剂，可以容易地构建具有不同形状和指定类型的内部晶体不均匀性的固体STU-1。MOF晶体的颗粒内差异可以很好地利用，通过简单的一步碳化来产生一系列功能性HNCs。

机理研究表明，这种自发的中空过程归因于热解过程中设计的结晶不均匀性MOFs颗粒内部成分的不同收缩。 作为钠离子电池负极，HNCs可以保证超稳定的循环能力(在3C下1000次循环的容量保持率约为100%，在5C下8000次循环的电容保持率为93%)，同时具有高容量和优异的倍率性能，这在广泛报道的碳对应物中是一种非凡的综合性能。

图1. 通过晶体不均匀性MOFs实现的HNCs的简单和通用合成的示意图。

图2. STU-1b及其衍生的蛋黄-壳碳结构的表征。

图3. STU-1b的热降解和内部结构演变以及所提出的自发中空机制。

图4. 900℃下具有不同类型晶体不均匀性的STU-1微粒和STU-1衍生的HNCs的结构表征。

图5. 碳产品STU的电化学性能。

图6. 卵黄壳碳负极(STU-1b-650)在全电池NIBs中的Na储存行为和电化学性能的定量分析。

这一贡献不仅为简单和可调地合成用于稳定钠储存的HNCs提供了可靠的策略，而且为MOF晶体的复杂性质提供了启发性的见解。

原文：https://doi.org/10.1002/anie.202400012

本文原文来自澎湃新闻