Chemical Engineering Journal于2022年在《chemical engineering journal》上发布了一篇文章，题目为《Gold-incorporated porous hollow carbon nanofiber for reversible magnesium-metal batteries》，作者包括Seongsoo Lee、Dong Woo Kang、Jin Hwan Kwak等，研究机构分别涉及韩国科学技术研究院(KIST)、韩国电工技术研究院(KERI)、韩国大学等多所专业研究中心。文章发表于2021年12月3日线上，探讨了一种新型镁金属电池负极的结构设计及其性能表现。

背景与目的

科学领域与研究背景

本文聚焦于下一代能源存储技术中的镁金属电池（Magnesium-Metal Batteries, MMBs），这是锂离子电池（LIBs）的潜在替代技术。尽管LIBs在过去几十年取得了巨大成功，成为电子设备的首选能源存储解决方案，但其能量密度、安全性及材料成本等限制了其未来在电动车和大规模储能市场中的进一步发展。镁金属电池因为其特有的优越性能，如高体积比容量（3833 mAh/cm³，相较于锂金属的2046 mAh/cm³）、无毒、材料成本低及原材料丰富性等，引起了广泛关注。此外，与锂金属不同，镁金属的枝晶生长问题较小，提供了更高的安全性。

然而，现有研究主要集中于开发适配的电解液和正极材料，而针对镁金属电池负极结构开发与性能优化的研究较少。传统金属基底不易保持镁金属的沉积稳定性，容易产生剥落问题，因此寻找适合的负极承载框架以提升镁金属的循环稳定性与沉积均匀性成为迫切需求。

研究目标

本研究提出了一种新型多孔空心碳纳米纤维（Porous Hollow Carbon Nanofibers, pCNFs），其内嵌金纳米颗粒（Gold nanoparticles, Au NPs），作为镁金属电池的负极（即Au@pCNF）。核心目标在于通过调控Au@pCNF的三维多孔结构以及镁金属的择优沉积行为，显著提升镁金属的可逆性和稳定性。

研究方法与工作流程

结构设计与制备

研究采用双喷嘴静电纺丝技术（Dual-nozzle Electrospinning Technique）制备了核心-壳层(pCNF)结构纳米纤维。

1. 纺丝液制备：
   • 核溶液由热分解聚合物（如聚苯乙烯-丙烯腈共聚物）与金前驱体（HAuCl₄）混合于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中制备。
   • 壳溶液由可碳化聚合物(如聚丙烯腈)与发孔剂混合制备。
2. 静电纺丝与热处理：
   • 电场强度14 kV，纺丝液分别以0.4 mL/h和0.8 mL/h的流速供给内外喷嘴；纺丝后的聚合物纤维经逐步加热至850℃，在氩气氛围中完成碳化，形成纳米纤维及内嵌的Au NPs。
   • 纺丝纤维原始直径为~1 μm，经收缩后直径约为500 nm，表面呈现均匀多孔的三维网状结构。

样品表征

• 扫描与透射电子显微镜（SEM/TEM）： 确认证实pCNFs表面孔径大小（纳米级）及Au NPs均匀分布（直径为20~30 nm）；晶格间距2.35 Å对应于Au（111）。

• X射线衍射（XRD）与热重分析（TGA）：

  • 确认可金属颗粒生成。
  • 金含量约为1.5%（重量比）。

• 特性表面积分析（BET）与孔结构表征：

  • 比表面积为16.2 m²/g，空心结构促成离子传输。

电化学性能测试

1. 制备用于对比实验的样品，包括纯铜基底、无金的pCNF以及Au@pCNF。
2. 分别在电流密度0.2 mA/cm²和1 mA/cm²下进行镁的电化学沉积/剥离。
3. 检测关键电化学参数：成核过电位、沉积电位平台及新沉积镁金属的附着力。

主要研究结果

镁金属沉积行为

• 在镁沉积初期，Au@pCNF的成核过电位最低（149.8 mV），显著低于纯铜基底（264.5 mV）以及无金pCNF（164.8 mV）。
• 实验发现，镁更倾向在Au颗粒分布处沉积，且沉积分布均匀，避免了在基质表面形成大块聚集物。

附着力和稳定性

• Cu基底的沉积镁金属容易脱落，导致隔膜被严重堵塞；而Au@pCNF显示出显著增强的附着力，观察到隔膜干净且基材形貌良好。
• 横截面分析表明，镁沉积在Au@pCNF结构中的分布更加均匀，深层纤维结构被充分活化。

电化学性能

• 在0.2 mA/cm²的电流下，Au@pCNF实现了高循环库仑效率（~95%）和低电压滞后（δV），而铜基底和无金pCNF均出现效率快速衰减。
• 高倍率1 mA/cm²下，Au@pCNF仍维持稳定的循环性能，表明其结构设计适用于快速高效存储镁金属。

研究结论

本文通过设计金纳颗粒内嵌的多孔空心碳纳米纤维结构（Au@pCNF），解决了目前镁金属电池负极材料中镁沉积易脱落及分布不均的问题。Au颗粒作为镁亲合核化位点（Magnesiophilic Seeds），引导镁金属的优先沉积，并降低成核过电位，同时多孔壳层结构促进了快速离子传输和均匀的深层镁沉积行为。与铜基底或无金pCNF相比，该设计显著提高了镁电池负极的电化学性能。

该研究提供了一种新的负极设计范式，为实践多价离子电池的开发提供了重要的科学和工程启示。

研究亮点

1. 创新设计了Au@pCNF，结合金亲镁颗粒的催化活性及多孔空心纤维的结构优势。
2. 实现了低成核过电位、高附着力以及均匀沉积行为，显著提升了电化学性能。
3. 提出了通过多维结构调控镁金属沉积行为的新策略，推动镁金属电池走向实用化。