AB2O4纳米晶/氮掺杂多孔碳复合纳米材料的制备及储锂性能的研究

The AB2O4 (A, B = metal) composite metal oxides have been extensively studied as anode materials for lithium-ion batteries owning to their high theoretical specific capacity. However, they easily undergo huge volume expansion and collapse of crystal lattice during the charge/discharge process, which can result in loss of specific capacity and cycling life. When used as the protective layer or matrix of AB2O4 nanocrystals, nitrogen-doped carbon materials can effectively enhance the structural stability and electrical conductivity during the charge/discharge process. In the traditional processes for the AB2O4 composite metal oxides, the as-prepared carbon materials often cover the surface of the AB2O4, or the AB2O4 was attached on the surface of carbon matrix, and the size of as-obtained AB2O4 is always large, which result in the fact that it can not realize the real lithium-storage performance of the electrode. Herein, we plan to use metal-organic frameworks (MOFs) with two metals center as precursor, and explore their decomposed conditions in inertia atmospheres to produce the AB2O4 nanocrystals uniformly encapsulated in nitrogen-doped carbon matrix. With the tests of lithium-storage performance, it is explored the effects of the size of AB2O4 nanocrystals, the graphitization level of carbon matrix and the nitrogen-doped content on their lithium-storage performance.

复合金属氧化物AB2O4（A、B = 金属）因具有较大的理论比容量被广泛应用于锂电池负极材料。然而，AB2O4电极材料在充放电过程中容易发生体积膨胀而导致晶格塌陷，从而引起其比容量快速衰减，缩短了使用寿命。利用氮掺杂碳材料作为AB2O4纳米晶的保护层或基底，可以有效地提高其在充放电过程中的结构稳定性和导电性。此外，在传统制备AB2O4与碳复合材料的工艺中，碳材料一般包覆在AB2O4的表面，或AB2O4附着在碳基底上，且所得到的AB2O4的粒径比较大，不能充分发挥其储锂性能。本项目拟以含有双金属中心的金属有机框架化合物（MOFs）纳米粒子为前驱物，探索其在惰性气体中分解工艺制备超细AB2O4纳米晶的工艺，使得制备的AB2O4纳米晶弥散地分布在氮掺杂碳基底里。通过储锂性能测试，探究AB2O4纳米晶的大小、碳基底石墨化程度以及氮掺杂含量对储锂性能的影响。

金属有机框架化合物是由有机配体把金属或金属簇连接在一起所形成的一类新型材料。由于它可控的孔道结构和功能的多样性，已经广泛应用于催化、生物成像、气体分离和储存等领域，从而引起了科研工作者的广泛关注。此外，金属有机框架化合物具有较大的比表面积、多孔结构以及大量含碳有机配体，从而已被认为有望成为模板或者前驱物制备多孔纳米材料。本项目主要研究了以不同的金属有机框架化合物纳米粒子作为前驱物制备结构独特的无机纳米粒子的方法，并对所制备的纳米粒子进行了储锂性能的研究。具体内容如下：（1）基于相应MOFs制备了疏松多孔的Co3O4、Mn2O3以及MnCo2O4，并且探究了升温速率的快慢以及分解温度点的高低对最终产物形貌和结构的影响。此外，对所制备的材料进行了储锂性能研究。（2）通过碳化Mn-BTC，原位生成的碳基底限制了MnO纳米晶的进一步生长，得到粒径大小比较均一的MnO纳米晶均匀分布在碳基底里（MnO@C）。作为锂离子电池（LIBs）的负极材料时，MnO@C纳米复合材料在电流密度为100 mA g-1下循环50次后，依然保持1159 mAh g-1的可逆容量。更值得注意的是，MnO@C纳米复合材料即使在大电流密度1000 mA g-1的下在1000次循环后，也能保持613 mAh g-1的可逆容量。这表明所制备的MnO @ C纳米复合材料在长循环寿命和高功率密度的LIBs中具有潜在的应用。（3）基于ZIF-67制备了粒径大小比较均一的Co纳米晶均匀分布在氮掺杂碳基底里，然后，通过水热氧化的方法制备了氮掺杂的碳包覆的Co3O4纳米晶（Co3O4@NC），且探究了氮掺杂的含量和类型。由于其独特的结构特征，Co3O4@NC在电流密度为100 mA g-1 测试条件下循环100次后，容量依然保持在1017 mAh g-1，以及在电流密度为1000 mA g-1 测试条件下循环1000次后，容量依然保持在731 mAh g-1，表明所制备的Co3O4@NC具有作为长寿命和大功率密度锂离子电池电极材料的潜能。（4）探究了与本项目类似的生物质转化氮掺杂碳材料以及碳包覆SiO2的储锂性能。