【研究背景】
硅氧化物（SiO x ）被认为是一种很有前景的锂离子电池负极材料，然而其仍然存在固有的低电导率和脱嵌锂时较大的体积膨胀的问题，阻碍了进一步实际应用。许多研究人员致力于采用纳米化、与碳材料或/和金属基材料复合和构筑缓冲空间的策略来解决上述问题，从而提高电化学性能。此外，过渡金属单原子或金属簇催化剂由于具有良好的电催化性能，在锂/钠-硫电池及电催化领域具有广泛的应用，而其作为锂离子电池负极材料的研究以及探究Li + 和金属单原子（金属簇）掺杂碳之间的相互作用的报道很少。原子级分散金属-氮-碳还可以增强对Li + 的吸附能力，提供更多的储锂位点。因此，如何设计利用金属掺杂进一步提高材料的导电性和电化学活性，降低内部SiO x 反应的难度，促进电化学过程中物质或晶型的转变和研究SiO x 的储锂机制，具有重要的研究意义和应用价值。
【工作介绍】
近日，庞欢课题组等人采用可持续稻壳为硅源得到SiO 2 纳米颗粒，基于静电喷雾-碳化合成策略，成功制备SiO x /铁-氮共掺杂碳（SiO x /Fe-N-C）微米球复合材料。研究结果表明，SiO x /Fe-N-C 产物的放电容量、循环稳定性和倍率性能与纯SiO 2 和非原子掺杂SiO x /氮掺杂碳相比有明显提升，并通过DFT理论计算进行验证。此外，电化学测试及原位XRD表征揭示了Li x Si合金相的解离和储锂机理。该合成策略可以用于设计其他金属单原子（原子簇）分散的氮掺杂碳框架来封装SiO x 纳米颗粒。同时，这项工作为开发存在导电性差和较大体积膨胀问题的锂离子电池负极材料提供了见解。该文章题为“ Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage”发表在国际著名期刊 Advanced Science 上，郭笑天博士为第一作者。
【内容表述】
本文以解决SiO x 材料导电性差和脱嵌锂过程中产生的体积效应为目的。常用的解决策略包括纳米化、与碳材料或/和金属基材料复合和构筑缓冲空间。首先是硅源的选择，选取稻壳基SiO x 作为负极材料研究对象，能够有效地简化SiO x 材料的制备过程，同时可获得纳米化尺度的SiO x 纳米颗粒，实验室阶段产量高和纯度高，有利于商业化并对于制备SiO x 复合材料具有很重要的意义。其次，基于纳米材料存在严重的团聚现象，SiO x 纳米颗粒可通过氮掺杂碳基质分散，有效缩短Li + 的扩散路径并提高SiO x 材料的电化学活性。此外，氮掺杂碳作为缓冲媒介，能够减少电极材料在充放电过程中的体积变化，从而防止活性材料的粉碎和电极的剥离，改善循环寿命。进一步，氮掺杂碳基质结合金属原子掺杂可进一步增强电极材料的导电性，增强对Li + 的吸附能力，减小内部SiO x 锂化的难度。
（1）欲采用碳基质提高SiO x 的分散性并缓冲体积效应，需满足前驱体溶液中SiO 2 纳米颗粒的尺寸要尽可能小且分散性较好，这样才能够均匀分散在聚合物溶液中，从而利用静电喷雾-碳化策略将纳米 SiO x 封装在碳基质中。而常规用作锂离子电池负极材料的SiO 2 尺寸为100-2μm，且尺寸为100-200 nm的SiO 2 微球团聚严重，储锂活性差。因此，在课题组前期工作的基础上，我们仍选择生物质稻壳为硅源制备SiO 2 纳米颗粒。
（2）进一步，要制备金属单原子（金属簇）掺杂碳改性的 SiO x 复合材料，首先得保证金属单原子（金属簇）可以通过氮或硫等杂原子形成金属-氮键或金属-硫键固定住。基于静电喷雾-碳化合成策略，将合适的金属盐溶解在聚合物/SiO 2 前驱体溶液中，利用含氮聚合物如聚丙烯腈衍生的氮掺杂碳精准锚定金属单原子，严格控制前驱体溶液中金属盐的种类和量以及碳化条件，得到一系列金属单原子或原子簇掺杂碳材料。而且，可充分利用前驱体溶液中的SiO 2 的“空间隔离效应”，减少金属盐的聚集，促进金属活性位点在分子水平上形成，大大提高SiO x 制备金属单原子或纳米簇掺杂碳材料的成功率。产物中具有的金属单原子、金属簇甚至少量金属单质颗粒组分是关键，对于后面的储锂性能以及机理的研究具有重要的研究意义。
【内容详情】
该文章利用生物质稻壳为硅源和简单的静电喷雾-碳化策略制备了SiO x /Fe-N-C复合材料。通过球差电镜发现SiO x /Fe-N-C样品中的Fe元素主要以单原子形式存在，微米球边缘位置仅存在少量纳米簇。此外，已通过 同步辐射表征证明SiO x /Fe-N-C样品中Fe原子与N原子配位，并证实了Fe-N 4 位点的形成。
图1. SiO x /Fe-N-C材料的流程图和形貌表征。
合成方法简便、产量及单原子负载量较高（~ 6 wt% Fe），具有很好的普适性。我们同样制备了SiO x /Co-N-C与SiO x /Ni-N-C两种材料，其形貌与尺寸未发生明显变化。通过球差电镜与同步辐射分析，前者仅边缘出现少量原子簇，仍主要以Co单原子形式存在，而后者主要以为Ni原子簇的形式存在（图2）。本文高负载量金属掺杂碳材料的设计与制备为电化学存储与转化领域提供了较好的借鉴意义。
图2. SiO x /Co-N-C和SiO x /Ni-N-C材料的普适性制备。
结合电化学测试和DFT理论计算（ 锂吸附能和态密度（DOS） ），SiO x /Fe-N-C复合材料展现出优异的储锂性能。主要可归结于以下几点：1）Fe-N-C框架可避免SiO x 纳米颗粒的团聚，提高SiO x 体系的电化学活性且增强对Li + 的吸附能力，提供更多的储锂位点；2）Fe-N-C可提高体系导电性，并缓解脱嵌锂时产生的体积膨胀；3）Fe单原子/原子簇可以促进Li x Si相的解离，提高电化学可逆性。
图3. SiO 2 、SiO x /N-C和SiO x /Fe-N-C材料的电化学性能测试与DFT计算。
【结论】
本文以可持续稻壳为硅源，通过简便的静电喷雾-碳化策略实现了以Fe原子位点分散的碳基质封装SiO x 纳米颗粒，从而构筑了SiO x /Fe-N-C负极材料。其单原子存在形式和具体的配位环境已证明。结果表明，与纯SiO 2 和非金属掺杂SiO x /N-C对比，SiO x /Fe-N-C复合材料的可逆容量、循环稳定性和倍率性能均有显著提升，这一结果与这三类材料的循环前后的表征结果以及DFT计算包括吸附能和态密度计算结果相吻合。最后，这项工作提出了一种合理制备金属单原子（原子簇）掺杂碳/SiO x 复合材料的有效策略并将其应用于高性能锂离子电池，这也有望用于其他储能和转换应用。
Xiaotian Guo, Hengyue Xu, Wenting Li, Yangyi Liu, Yuxin Shi, Qing Li, Huan Pang, Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen-Doped Carbon frameworks-Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage, Advanced Science, 2022.
https://doi.org/10.1002/advs.202206084
作者简介+招聘信息
郭笑天 ，博士毕业于扬州大学，现为扬州大学博士后。研究方向为锂离子关键材料的设计与开发、下一代新型电池体系关键电极材料开发，在Advanced Science, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal等期刊已发表论文。
庞欢 ，南京大学理学博士，扬州大学教授，博士生导师。教育部青年长江学者（2018）；教育部新世纪优秀人才（2013）；江苏省杰出青年（2020）；英国皇家化学学会会士（2022）；全球高被引学者（2020-2022）。EnergyChem管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员、多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事功能化微纳米配合物材料及其衍生物的研究。近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Angew. Chem等期刊发表SCI论文400多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为85。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部，高教社。授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖(R3)，二等奖(R1)。
招聘信息：
扬州大学庞欢课题组诚招博士后 全职博士后招聘
1. 应聘条件：
（1）纳米化学、配位化学、电化学和生物材料等研究方向，近2年取得或即将取得博士学位；
（2）有较好的研究基础和英语基础，原则上需以第一作者在SCI期刊上发表研究论文2篇或IF〉5.0或一区研究论文1篇；
（3）具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神。
（4）品学兼优，身心健康。
2. 岗位待遇：
（1）年薪25-30万元（税前）在站期间按照有关规定参加社会保险，缴存住房公积金、新房帖；
（2）可按规定租住学校教职工宿舍，也可领取住房补助；
（3）提供必要的科研条件，博士后可作为负责人申请国家自然科学基金、中国博士后科学基金及江苏省博士后科研资助等项目；
（4）在站期间，根据研究项目需要，可以申请到国（境）外参加国际学术会议或进行短期学术交流、科研合作；
（5）可申报研究系列专业技术职务；
（6）优秀推荐申请江苏省卓越博士后计划项目，30万（叠加工资）。
3. 工作任务：在站工作期限一般为24个月，如特别优秀的经本人书面申请、导师同意、校博士后管理办公室审核后可适当延长在站时间，延长时间最长不超过1年，延长期内正常发放工资。在站期间需完成下列工作任务：
（1）在站期间至少在学院及以上范围公开进行2次学术报告；
（2）获国家或江苏省博士后科研资助项目1项，或作为主要研究人员参与合作导师主持的国家级科研项目1项；
（3）在SCI来源期刊上发表2篇学术论文或1篇一区以上学术论文（以Online为准），论文需以博士后为第一作者，扬州大学为第一署名单位。
4. 联系方式：请发送个人简历、主要研究成果等相关资料到：
panghuan@yzu.edu.cn；
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