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本研究的主要作者包括Yeru Liang、Lifeng Cai、Luyi Chen、Xidong Lin、Ruowen Fu、Mingqiu Zhang和Dingcai Wu。研究机构包括中山大学材料科学研究所、PCFM实验室、GDHPPC实验室以及莆田学院环境与生物工程学院。该研究于2015年发表在期刊《Nanoscale》上。
本研究的科学领域为纳米材料与电化学，具体关注锂离子电池（LIBs）的阳极材料。随着电子设备对储能需求的不断增加，提升锂离子电池的能量容量和功率输出成为研究热点。石墨作为商用锂离子电池的阳极材料，虽然具有良好的导电性和成本效益，但其理论容量较低（372 mA h g⁻¹），限制了其进一步应用。硅、锡及其氧化物等材料虽然具有更高的理论容量，但在充放电过程中体积变化较大，且制备工艺复杂，难以广泛应用。二氧化硅（SiO₂）作为一种廉价且储量丰富的材料，具有较高的理论容量（约1965 mA h g⁻¹），但其在锂离子嵌入和脱嵌过程中同样存在体积变化大和导电性差的问题。为了解决这些问题，研究者提出了一种新型的氮掺杂有序介孔碳/二氧化硅（N-OMC/SiO₂）纳米复合材料，旨在通过优化碳/二氧化硅界面结构提升锂离子电池的性能。
本研究的主要流程包括材料制备、结构表征和电化学性能测试三个部分。
研究者采用多组分共组装策略制备了N-OMC/SiO₂纳米复合材料。具体步骤如下： 1. 前驱体混合：将酚醛树脂（PF resol）、预水解的四乙氧基硅烷（TEOS）、尿素和嵌段共聚物F127混合，形成均匀溶液。 2. 自组装过程：由于尿素的亲水性，其与亲水性的PF resol和TEOS相容性良好，在自组装过程中均匀分散在聚合物/二氧化硅复合框架中。 3. 热聚合：PF resol树脂在热聚合过程中与尿素反应，形成三维热固性酚醛树脂框架。 4. 碳化：在氮气环境下，通过900°C的高温碳化去除F127模板，最终得到N-OMC/SiO₂纳米复合材料。
研究者通过多种手段对材料的结构进行了详细表征： 1. X射线衍射（XRD）：低角度XRD结果显示材料具有高度有序的二维六方介孔结构，晶胞参数为12.1 nm。 2. 透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）：TEM和SEM图像显示材料具有均匀的介孔结构，孔径约为7 nm。 3. 氮气吸附测试：材料的比表面积为524 m² g⁻¹，总孔体积为0.53 cm³ g⁻¹，介孔体积占主导。 4. X射线光电子能谱（XPS）和元素分析：材料主要由碳、氧、氮和硅元素组成，氮含量为6.3 wt%。
研究者将N-OMC/SiO₂纳米复合材料作为锂离子电池阳极材料，测试了其电化学性能： 1. 循环伏安法（CV）：首次循环中观察到两个还原峰，分别对应于电解质分解和二氧化硅与锂离子的电化学反应。 2. 充放电测试：首次放电容量高达3900 mA h g⁻¹，首次充电容量为1996 mA h g⁻¹，库仑效率为51%。在100 mA g⁻¹的电流密度下，经过50次循环后，放电容量仍保持在740 mA h g⁻¹。 3. 倍率性能：在200 mA g⁻¹的电流密度下，经过20次循环后，放电容量保持在800 mA h g⁻¹。在5000 mA g⁻¹的高倍率下，放电容量为289 mA h g⁻¹。
本研究成功制备了一种新型的氮掺杂有序介孔碳/二氧化硅纳米复合材料，通过优化碳/二氧化硅界面结构，显著提升了锂离子电池的性能。该材料具有高容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能，为开发高性能锂离子电池阳极材料提供了新的思路。
本研究的成功不仅为锂离子电池阳极材料的设计提供了新的方向，还可能扩展到其他碳基和合金型电极材料的开发中，例如Fe₃O₄和TiO₂等。这些材料在电化学操作中通常面临体积变化大的问题，而本研究的思路可能为解决这些问题提供借鉴。