空心復(fù)合結(jié)構(gòu)材料因其自身*的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在諸如光、電,、磁,、催化、生物醫(yī)學(xué),、能源存儲與轉(zhuǎn)換等眾多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景,。通過對空腔殼層的組分、結(jié)構(gòu),、表面特性的合理調(diào)控,,可以實(shí)現(xiàn)對功能材料性能的設(shè)計(jì),從而滿足不同領(lǐng)域的特殊需求,。對于鋰離子電池電極材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用優(yōu)化而言,,充分利用空腔結(jié)構(gòu)在電解液浸潤、鋰離子傳輸,、復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢,,構(gòu)筑具有空腔結(jié)構(gòu)的微納復(fù)合材料已經(jīng)成為提高電極材料倍率性能、穩(wěn)定性的有效途徑,,而如何克服傳統(tǒng)空腔結(jié)構(gòu)構(gòu)筑中存在的工藝繁瑣,、耗時長、污染嚴(yán)重,、成本高等一系列缺陷,,基于新的機(jī)理和路徑實(shí)現(xiàn)電極材料空腔結(jié)構(gòu)的大規(guī)模可控制備已經(jīng)成為相關(guān)研究的一個重要挑戰(zhàn),。
在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的大力支持下,,中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹安民課題組科研人員在空心復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑研究方面取得新進(jìn)展。他們從聚合誘導(dǎo)膠體凝聚法出發(fā),,提出了基于實(shí)心顆粒內(nèi)部梯度結(jié)晶的*方式來直接在顆粒內(nèi)部構(gòu)筑空心復(fù)合結(jié)構(gòu),。在實(shí)驗(yàn)中,他們通過對具有較低結(jié)晶度的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合前驅(qū)體結(jié)晶過程的控制,實(shí)現(xiàn)了實(shí)心顆粒由外及里的逐步結(jié)晶,,并通過顆粒內(nèi)部應(yīng)力的累積及調(diào)控使得顆粒的內(nèi)核自動分裂而直接產(chǎn)生空腔(見圖1),。此方法操作簡單、綠色環(huán)保,、成本低,、可規(guī)模化生產(chǎn)且具有普適性,,可以成功制備一系列不同氧化物的復(fù)合空心結(jié)構(gòu)(如TiO2-C,、SnO2-C、CeO2-C,、ZrO2-C,、Li4Ti5O12-C等,見圖2),?;谙嚓P(guān)方法制備的Li4Ti5O12-C空心復(fù)合微球可作為鋰離子電池負(fù)極材料,并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能,。該結(jié)果以全文形式發(fā)表在《美國化學(xué)會志》(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5916-5922)上,。
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圖1 基于梯度結(jié)晶構(gòu)筑空心復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖
圖2 (a-d)不同樣品的SEM圖;(e-h)不同樣品的FIB-SEM橫截面圖
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