熔体脆性预测金属多孔性及储能性研究

Nanoporous materials synthesized by a dealloying technology play a more and more vital role in the catalysis, the energy sources, the sensors, the heat exchanges and the biological monitoring fields. A trial and error process is still widely used in the composition selections of the precursors used for the nanoporous materials, hindering the development of the material application in the energy sources and the nanoporous material improvement. On the basis of the melt fragility theory proposed by us, we study in this project the relationship between the melt fragility of metals and the solidified structures of the precursor alloys. We explore the size of the nanopores, the rate of pores, the specific surface area and the connectivity of those pores after the dealloying of the precursors. We could study the relationship between the rate of pores, the specific surface area and the storage performance of lithium and sodium ions. The relationship between the melt fragility and the energy storage will be established. A prediction of the excellent composition of precursors can be realized by the melt fragility criterion. This criterion will provide a theoretical guidance for the selection of the precursor composition and the synthesis of the high performance lithium and sodium ion battery electrode materials by the dealloying technology. The result from the project will contribute to realizing the easy control of the structure and properties of the nanoporous material according to the structure and properties of metal melts before the manufacture of precursors. The electrode material with high lithium and sodium ion storage performance will meet the increasing requirement of nanoporous materials in the energy sources and the catalysis fields.

通过去合金化获得纳米多孔金属材料，在催化、能源、传感器、热交换和生物检测等领域正发挥越来越重要的作用。然而去合金化制备多孔金属在前驱体成分的选择方面依然多采用试错法，严重影响这一材料的发展及其在储能方面的应用。本项目拟在前期熔体脆性研究的工作基础上，探索金属熔体脆性与前驱体合金凝固组织结构之间的联系，研究各种前驱体组织结构在去合金化后的纳米孔的孔径、孔隙率、比表面积及孔洞连通性；研究材料孔隙率及比表面积等与其储锂/钠性能的对应关系，进而建立熔体脆性与储能性之间的联系，以便实现熔体脆性对优良前驱体合金成分的预测，为合金前驱体成分的选取以及利用去合金化制备高性能锂/钠离子电池电极材料提供理论指导。本项目的研究结果将有利于人们掌握如何从控制金属熔体的结构及性质出发，实现人为控制金属的纳米孔结构及性质，从而获得高性能储锂/钠电极材料，满足日益发展的能源及催化等领域对多孔金属材料的需求。

通过去合金化获得纳米多孔金属材料，在催化、能源、传感器、热交换和生物检测等领域正发挥越来越重要的作用。然而去合金化制备多孔金属在前驱体成分的选择方面依然多采用试错法，严重影响这一材料的发展及其在储能方面的应用。本项目拟在前期熔体脆性研究的工作基础上，实现在制备前驱体之前预测多孔性，研究金属熔体脆性与前驱体合金凝固组织结构之间的联系；探索各种前驱体组织结构在去合金化后的纳米孔的孔径、孔隙率、比表面积及孔洞连通性；研究材料孔隙率及比表面积等与其储锂/钠性能的对应关系。通过实验研究，主要取得如下结果：.1..发现合金熔体脆性越小，前驱体组织形貌越均匀，经脱合金后的纳米空洞越均匀，空洞比表面积越大；在共晶铝硅合金中，共晶点成分合金通过脱合金获得了蜂窝状纳米多孔硅，当用作锂离子电池负极材料，与其他成分合金在同样的制备条件下做出的多孔材料相比，展现出更好的容量和循环性能；.2..采用脱合金的方法制备了3D-纳米多孔空心球状堆积的硼酸铁非晶纳米颗粒作为锂离子电池负极材料，该材料表现出高的比容量和超长的循环寿命，在100 mA g-1的电流密度下循环360周后仍保有1170 mAh g-1的可逆比容量；. 3.制备了Si@C纳米球和中空多孔CoOx量子点多面体的复合材料作为锂离子电池负极材料，这种材料作为锂离子电池负极在200 mA g−1循环200次后的高放电容量为1873 mAh g−1 ，并且获得了超长循环寿命；.4. 通过Zn掺杂CuO/ZnO亲锂纳米阵列修饰的三维骨架诱导锂横向沉积实现高稳定锂金属负极，Li/3D ZZCM复合阳极在40 mA cm−2和10 mA h cm−2的条件下，对称电池也能保持低过电位稳定循环535h；.发表SCI收录论文15篇，培养研究生12人，其中博士毕业2人，硕士毕业8人，在读博士生2人。