MOFs基氮掺杂超薄多级碳原位包覆超细过渡金属氧化物及其储锂性能研究

Carbon-coating is an effective strategy to improve lithium storage properties of transition metal oxides (TMOs). It is not only an attractive topic but also a challenge to invent a novel synthesis technology to prepare ultrafine and monodisperse TMOs nanoparticles coated by continuous hierarchical carbon layer. And the lithium storage properties of the carbon coated ultrafine TMOs nanoparticles can be further optimized. Based on in-situ decomposition of metal organic frameworks, ethanol catalytic conversion and reduction-evaporation property of ZnO, we propose to investigate the well-controlled construction of monodisperse ultrafine TMOs coated by N-doped ultrathin hierarchical carbon layer, the formation mechanism and the lithium storage properties of the unique structure. The main contents in this project are as follows：(1) we will controllably synthesize monodisperse ultrafine TMOs coated by N-doped ultrathin hierarchical carbon layer, and investigate the formation mechanism of the hierarchical structure; (2) we aim to understand the dependence of lithium storage properties on the size of TMOs, interface effect of the ultrafine nanoparticles, the mechanism of enhanced cycling stability and rate performance, as well as the relationship between the microstructure and the lithium storage properties. This project can provide a novel and feasible strategy for the synthesis of high-performance carbon coated TMOs. In addition, it will inspire the structure design of other metal compounds (metal sulfides, metal phosphide etc.).

碳包覆是提高过渡金属氧化物储锂性能的有效途径。开发新型合成工艺用于制备连续多级碳包覆的超细、单分散金属氧化物纳米粒子从而获得最优化的储锂性能仍是锂离子电池负极材料研究的热点与难点。本项目基于金属有机框架的原位分解、乙醇催化转换以及ZnO易被还原蒸发的特性，致力于氮掺杂超薄多级碳原位包覆超细过渡金属氧化物的可控制备、反应机理及其储锂性能研究。主要内容包括：（1）可控构筑氮掺杂超薄多级碳原位包覆的超细金属氧化物纳米粒子并研究其合成机理；（2）探讨储锂性能对粒子尺寸的依赖性规律，重点研究超小尺寸下的表界面效应、碳包覆超细粒子增强倍率性能和循环稳定性的机制，揭示碳包覆超细纳米粒子复合材料“微观结构-性能”之间的“构效关系”。项目的实施为综合服役性能优异的碳包覆过渡金属氧化物的合成开辟一条新型、高效的途径，也为高容量金属硫化物、金属磷化物等电极材料的结构设计提供新的策略和思路。

该项目旨在开发新型合成工艺用于制备高性能氮掺杂多级碳包覆的超细金属化合物电极材料。依托该项目，共发表相关学术论文12篇（含影响因子大于10的3篇，ESI高被引论文1篇），支撑7名研究生进行相关研究工作。取得的重要研究进展包括：（1）发展了一种基于模板衍生金属有机框架结构制备高性能自支撑氮掺杂多级碳包覆超细纳米粒子（金属、金属氧化物、金属硫化物等）的新型通用方法。（2）探明了氢气还原-蒸发干法去除氧化锌模板的反应机理。（3）系统研究了氮掺杂碳包覆超细电化学活性粒子的微观结构和相组分与储能性能的内在关系。（4）通过电化学原位拉曼光谱表征技术研究分析了电极表（界）面分子的微观结构动态变化和离子传输特性。（5）在实验和仿真结果的基础上，揭示了氮掺杂碳包覆超细金属化合物纳米粒子增强储能的内在机制。本项目的顺利实施为开发综合服役性能优异的过渡金属化合物（氧化物、硫化物和磷化物等）电极材料提供理论模型与实验基础。