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空心復(fù)合結(jié)構(gòu)材料因其自身*的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在諸如光、電、磁、催化、生物醫(yī)學(xué)、能源存儲與轉(zhuǎn)換等眾多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對空腔殼層的組分、結(jié)構(gòu)、表面特性的合理調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對功能材料性能的設(shè)計(jì)，從而滿足不同領(lǐng)域的特殊需求。對于鋰離子電池電極材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用優(yōu)化而言，充分利用空腔結(jié)構(gòu)在電解液浸潤、鋰離子傳輸、復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，構(gòu)筑具有空腔結(jié)構(gòu)的微納復(fù)合材料已經(jīng)成為提高電極材料倍率性能、穩(wěn)定性的有效途徑，而如何克服傳統(tǒng)空腔結(jié)構(gòu)構(gòu)筑中存在的工藝繁瑣、耗時(shí)長、污染嚴(yán)重、成本高等一系列缺陷，基于新的機(jī)理和路徑實(shí)現(xiàn)電極材料空腔結(jié)構(gòu)的大規(guī)模可控制備已經(jīng)成為相關(guān)研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的大力支持下，中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹安民課題組科研人員在空心復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑研究方面取得新進(jìn)展。他們從聚合誘導(dǎo)膠體凝聚法出發(fā)，提出了基于實(shí)心顆粒內(nèi)部梯度結(jié)晶的*方式來直接在顆粒內(nèi)部構(gòu)筑空心復(fù)合結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中，他們通過對具有較低結(jié)晶度的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合前驅(qū)體結(jié)晶過程的控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)心顆粒由外及里的逐步結(jié)晶，并通過顆粒內(nèi)部應(yīng)力的累積及調(diào)控使得顆粒的內(nèi)核自動分裂而直接產(chǎn)生空腔（見圖1）。此方法操作簡單、綠色環(huán)保、成本低、可規(guī)模化生產(chǎn)且具有普適性，可以成功制備一系列不同氧化物的復(fù)合空心結(jié)構(gòu)（如TiO2-C、SnO2-C、CeO2-C、ZrO2-C、Li4Ti5O12-C等，見圖2）。基于相關(guān)方法制備的Li4Ti5O12-C空心復(fù)合微球可作為鋰離子電池負(fù)極材料，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能。該結(jié)果以全文形式發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5916-5922）上。
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圖1 基于梯度結(jié)晶構(gòu)筑空心復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖
圖2 （a-d）不同樣品的SEM圖；（e-h）不同樣品的FIB-SEM橫截面圖
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