黄文欢课题组CC:Fe原子修饰的海绵状分级多孔碳用于钠离子的高效嵌入和脱...
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近年来，钠离子电池因其资源丰富、成本低廉，成为电动车与分布式储能领域的新星。然而，钠离子的较大离子半径与较高还原电位，使得一些锂离子电池电极材料不适用于钠离子电池系统。因此，开发性能优越、价格低廉的负极材料，深入研究材料电化学行为，对于提高钠离子电池性能至关重要。
陕西科技大学黄文欢课题组通过使用廉价、金属负载量低的含能金属有机框架作为前驱体，采用一步热处理方法，制备了一种海绵状的Fe掺杂三维多级孔结构碳材料（Fe@NCS）。高温处理促使配体中的高能N-N=N键快速分解产生大量气体，形成多级孔结构，Fe原子高度分散并嵌入碳载体表面，显著增强了Na+离子的储存与扩散。该材料组装的钠离子电池展现了卓越的倍率和循环稳定性，相关成果发表于《Chemical Communications》。
Fe@NCS材料的制备过程如图1所示。图2中的全息显微镜（电荷密度分布）与同步辐射图像揭示了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与电子转移，对Na离子传导至关重要。图3显示了Fe@NCS材料的比表面积、孔径分布、XPS、EXAFS与XANES表征。
Fe@NCS材料展现出优异的电化学性能与动力学特性。多级孔结构及表面Fe原子修饰显著提升钠离子电池的倍率与循环性能。在0.02 A g-1电流密度下，电池循环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次循环仍保持112.6 mAh g-1的放电容量，容量保持率高达93.9%。图4与图5分别展示了Fe@NCS材料的充放电曲线、循环性能与阻抗分析，证实了其海绵状孔结构有利于钠离子扩散。
作者陈卓于2020年至今在陕西科技大学攻读博士学位，研究功能杂化多孔材料在电池中的传质作用，已发表SCI论文一篇，并有两篇论文正在整理中。通讯作者黄文欢，陕西科技大学化学与化工学院副教授，专注于金属有机框架与功能团簇化合物的设计合成及其应用研究。近年来主持国家项目与省部级项目，获得多项奖励，并在多个国际期刊发表论文。
