研究背景

近年来，随着电动车的普及和分布式储能的应用，新一代的钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等特点备受科学家及产业界的关注。但与锂离子电池不同的是，钠离子具有较大的离子半径和较高的还原电位，这使得一些常用的锂离子电池电极材料不适合钠离子电池系统。开发性能优异、价格低廉、易得的负极材料，并深入研究材料在电化学行为中的过程机理，对于提高钠离子电池性能具有重要意义。

基于此，陕西科技大学黄文欢课题组采用廉价、低金属负载量的含能金属有机框架作为前驱体，通过一步热处理的方法制备了一种海绵状的 Fe 掺杂三维多级孔结构的碳材料（Fe@NCS）。在高温处理中，配体中的高能 N-N=N 键快速分解产生大量的气体导致了多级孔结构的形成以及 Fe 原子的高度分散及嵌入，有效的增强了 Na⁺ 离子的储存和扩散，组装的钠离子电池展现出了良好的倍率和循环稳定性。该成果发表于 Chemical Communications。

要点一：利用含能晶态前驱体合成海绵状多孔碳

通过合理的前驱体结构设计，选取了廉价的 Fe 金属源，组装了含能金属有机骨架(Fe-MET)。通过一步高温热处理的方法，制备了海绵状的 Fe 掺杂多孔碳（Fe@NCS），结构中孔的分布具有多级性和连续分布的特点。

要点二：低含量、高分散的 Fe 原子嵌入

Fe@NCS 材料具有大的比表面积、理想的孔结构，电子全息显微镜（图 2b-c）及同步辐射（图 3e-f）的结果表明 Fe 原子嵌入碳载体表面作为活性位点，增强了材料多孔结构表面的偶极极化和电子转移，对于 Na 离子的传导有重要的意义。

要点三：优异的电化学性能和电化学动力学特性

Fe@NCS 的多级孔结构及表面 Fe 原子修饰，显著增强了钠离子电池的倍率和循环性能，在 0.02 A g^-1 电流密度下循环 100 圈后放电容量保持在 165.5 mAh g^-1。在 0.2 A g^-1 下，经过 500 次循环后仍保持有 112.6 mAh g^-1 的放电容量，与第 2 圈相比，容量保持率高达 93.9%。此外，对多级孔 Fe@NCS 和非多级孔 Fe@NC 材料电化学动力学过程的对比，证实了 Fe@NCS 材料的特殊海绵状孔结构有利于钠离子的扩散。

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Sponge-like hierarchical porous carbon decorated by Fe atoms for high-efficiency sodium storage and diffusion
Wen-Huan Huang*(黄文欢,陕西科技大学), Zhuo Chen, Hao-Yang Wang, Lei Wang, Hua-Bin Zhang and Hong Wang
Chem. Commun., 2022
http://doi.org/10.1039/D1CC07305B

陈卓

陕西科技大学

陈卓，2020 年至今就读于陕西科技大学，在黄文欢课题组攻读博士学位。研究课题为功能杂化多孔材料在电池中的传质作用，目前已发表了 SCI 论文一篇（Chem. Commun., 2022, Advance Article），此外还有 2 篇论文正在整理中。

黄文欢 副教授

陕西科技大学

黄文欢，陕西科技大学化学与化工学院，副教授。2005.9-2014.7 年就读于西北大学并获得博士学位（导师：王尧宇教授），2016.3-2017.3 年在美国亚利桑那大学进行访问研究（合作导师：郑智平教授），2017.11-2020.4 年在中国科学院福建物质结构研究所进行博士后研究（合作导师：张健研究员）。主要从事金属有机框架及功能团簇化合物的设计合成及其在光/电催化、吸波、能源存储及转换方面的应用等研究工作。

近年来主持国家项目 1 项、省部级各类项目 6 项，获得陕西省高校科协青年人才托举计划项目。在 Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Chemistry Frontiers、Chemical Communications、Carbon、Journal of Power Sources、Nanoscale、Chemistry-A European Journal、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design 等国际期刊上发表 SCI 论文 40 余篇，综述 3 篇。其中第一/通讯作者论文 36 篇，受邀撰写综述 3 篇，高被引论文 5 篇，热点论文 2 篇。授权国家发明专利 3 项。组织本科生学生参加“挑战杯”课外学术科技竞赛获得省级奖项 3 项，省级创新基金 1 项，校级奖项 2 项；培养研究生获得“优秀毕业生”、“优秀硕士毕业论文”、“国家奖学金”、“研究生高水平科研成果奖励”等。