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Angew. Chem. :具有氧化還原活性的四核鐵氧簇用于高效鋰存儲2023-08-19
鋰離子電池因其高能量密度、長循環壽命和環境友好等特性,被廣泛用于便攜式電子產品和電動汽車的能量轉換系統。目前商業使用廣泛的石墨材料其理論容量~372 mAh·g-1,不能滿足當前生產設備不斷增長的需求。多金屬氧酸鹽(POMs)是一類由過渡金屬和氧組成的具有明確分子結構的特殊無機化合物,可以充當“電子庫”,提供豐富的金屬活性位點,其中,具有氧化還原活性的環境友好型鐵氧簇合物被認為是鋰離子電池陽極材料的理想候選者。相較于鐵氧化物自身對空氣和水的敏感性以及顆粒遷移和體積膨脹造成能量損失的局限性,設計合成具有獨特多孔結構的鐵氧簇合物可以大大減緩此類問題的出現。

近日,東北師范大學臧宏瑛教授、郎中玲副教授和李英奇講師合作報道了作為鋰離子電池陽極材料的生態友好型四核鐵氧簇。通過調控溶劑比例完成Fe3+和SO42-的不同自組裝,最終獲得具有亞納米孔道結構的簇合物3用于高效鋰存儲。

 

 

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通過溶劑比例和硫酸用量的調整實現Fe3+和SO42-的自組裝,從而合成出三種不同配位模式的鐵氧簇合物。其中,目標產物簇合物H6[Fe4O2(H2O)2(SO4)7]·H2O (3) 具有獨特的一維亞納米孔道結構。

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鐵氧簇合物的分子靜電勢(MEP)和電子特性的DFT理論預測表明簇合物3具有作為鋰離子電池電極材料的潛在優勢。

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通過以鐵氧簇合物作為電解質的電化學測試,進一步評估三種鐵氧簇的氧化還原活性和可逆性,這為該系列鐵氧簇在鋰離子存儲中的應用提供了重要的實驗基礎。

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利用原位XRD、XPS和非原位的XANES、EXAFS結合證明,在鋰離子嵌入/嵌出過程,由硫酸根構筑的簇合物3的結構穩定性和可逆氧化還原活性。

綜上,受益于內部亞納米通道結構的協同效應和突出的界面能量儲能機制,簇合物 3表現出遠超理論容量的高比容量。這項工作為鐵氧簇合物的應用及理解金屬離子電池體系中的界面電荷儲存機制提供了一種思路。

文信息

Designed Tetranuclear Iron-oxo Clusters with Redox Activity for High-Performance Lithium Storage

Dr. Jia-Qi Lv,?Dr. Bo Li,?Dr. Qianqian Liu,?Zhixin Gao,?Dr. Zhong-Ling Lang,?Dr. Song Liang,?Dr. Yingqi Li,?Prof. Hong-Ying Zang

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202306193

 

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