黏土礦物是一類具有典型層狀結(jié)構(gòu)的含水鋁硅酸鹽礦物，因特殊的晶體化學(xué)特征（SiO2含量可達(dá)60%）及獨(dú)特的天然納米層狀結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)方面，是重要的非金屬礦產(chǎn)資源。
我國黏土礦物資源儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得，有明顯的資源優(yōu)勢(shì)，但目前我國黏土礦物資源利用水平卻較低，產(chǎn)品附加值不高，急需實(shí)現(xiàn)黏土礦物高值利用基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的突破。
低碳經(jīng)濟(jì)和我國“雙碳”戰(zhàn)略的時(shí)代背景下，以鋰電池為代表的新能源經(jīng)濟(jì)為黏土礦物資源的高值利用提供了發(fā)展契機(jī)。與鋰金屬等正極材料相對(duì)應(yīng)的負(fù)極材料也是生產(chǎn)電池的關(guān)鍵組成部分，“硅”被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的下一代鋰電負(fù)極材料，其理論比容量遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)石墨負(fù)極材料。硅納米化已被證實(shí)是提升硅負(fù)極儲(chǔ)鋰性能的重要途徑之一。然而，納米硅的低成本規(guī)模制備技術(shù)目前仍未突破，嚴(yán)重制約其在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所副研究員陳情澤和研究員朱潤(rùn)良等，在探明黏土礦物微觀結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，提出了利用黏土礦物制備高性能硅納米材料的新技術(shù)，并取得系列進(jìn)展。
在前期工作中，他們綜合利用黏土礦物的天然納米結(jié)構(gòu)和較高硅含量的特點(diǎn)，研制了從零維納米顆粒、一維納米棒、二維納米片到三維多孔結(jié)構(gòu)的多種硅納米材料，揭示了黏土礦物與納米硅之間的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系及反應(yīng)機(jī)制；利用黏土礦物對(duì)層間有機(jī)物的納米限域保護(hù)效應(yīng)，制備黏土礦物和類石墨烯間層復(fù)合物，通過進(jìn)一步還原改造，研制了儲(chǔ)鋰循環(huán)穩(wěn)定性更好的硅基納米復(fù)合負(fù)極材料（如硅碳、硅碳化硅等復(fù)合材料），實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米硅形貌和組分的精確調(diào)控。
通過放大實(shí)驗(yàn)，研究人員確立了機(jī)械化學(xué)還原黏土礦物制備納米硅的新方法（圖），通過對(duì)黏土礦物和還原劑混合物的一體化高能球磨，成功合成了系列硅納米材料。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、一體化生產(chǎn)。通過高能機(jī)械球磨生熱引發(fā)金屬熱還原反應(yīng)，無需額外能量輸入，同時(shí)保證固相反應(yīng)的均勻性，簡(jiǎn)化工序，減少副反應(yīng)，提高納米硅產(chǎn)率。
2、保留納米結(jié)構(gòu)。黏土礦物的納米級(jí)八面體片層可作為模板和吸熱劑，使生成的納米硅在劇烈放熱反應(yīng)過程中仍能維持結(jié)構(gòu)，克服了機(jī)械法在控制納米硅形貌上的局限性。
3、原料簡(jiǎn)單易得。該方法所用原料豐富、工藝簡(jiǎn)單、容易放大，有利于納米硅的規(guī)模化制備。將所得硅納米材料用作鋰離子電池的負(fù)極材料，其在半電池和全電池中均表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。
（a）黏土礦物制備納米硅示意圖；（b）黏土礦物片層形貌；（c-g）保留黏土礦物典型納米片狀結(jié)構(gòu)的納米硅形貌特征
相關(guān)成果發(fā)表在《應(yīng)用表面科學(xué)》（Applied Surface Science）和《化學(xué)通訊》（Chemical Communications）上。研究工作得到廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、廣東省杰出青年基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目等的支持?！ ?br />
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433223002428#s00751
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/CC/D3CC04403C#!divAbstract
資料來源：廣州地球化學(xué)研究所
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