Angew. Chem. Int. Ed.：低溫熔鹽電化學還原CaSiO3制備硅納米線

【引言】

硅不僅是微電子領域的基礎材料，而且也是可再生能源領域的一種關鍵材料。硅的工業化生產主要通過二氧化硅（SiO₂）的碳熱還原進行制備。需要指出的是：該方法雖然可以實現硅的規模化制備，但是相對較高的能耗、較低的能量轉化效率以及較高的二氧化碳排放量導致了硅的成本較高，限制了其全面推廣。以無機熔鹽為電解質的電化學還原可以將SiO₂還原為單質硅。熔鹽的使用不僅可以明顯降低反應溫度，而且可以一步法直接實現單質硅的制備。

【成果簡介】

近日，威斯康辛大學麥迪遜分校的金松教授和武漢理工大學的麥立強教授（共同通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Low-Temperature Molten-Salt Production of Silicon Nanowires by the Electrochemical Reduction of CaSiO₃”的學術論文，報道了低溫熔鹽電化學還原CaSiO₃制備硅納米線的最新研究進展。研究人員選擇硅酸鈣（CaSiO₃）為原料，低熔點的三元熔鹽（氯化鈣-氯化鎂-氯化鈉 CaCl2-MgCl₂-NaCl）為電解質，氧化鈣（CaO）為輔助電解質，在相對較低的溫度下（650 ℃）下，利用電化學還原法成功制備了硅納米線（Si NWs）。該方法制備的Si NWs可以作為鋰離子電池的負極材料，在電化學性能測試中表現出優異的循環性能。

【圖文導讀】

圖-1. 熔鹽電解池示意圖和實物圖

（a）熔鹽電解池示意圖。

（b）熔鹽電解池實物圖。

圖-2. 不同的實驗方案設計、產物圖片和電化學曲線

（a）有效電化學還原CaSiO₃前驅體熔鹽的不同實驗方案。

（b）產物的宏觀圖片。

（c）分散在Si晶片上的產物的SEM圖像，產物通過在熔融CaCl₂
中加入CaO作為支持電解質，電解CaSiO₃得到。

（d）CaCl₂-NaCl熔鹽中電解產物的宏觀圖片。

（e）CaCl₂-NaCl熔鹽中電解產物的宏觀圖片。

（f）CaCl₂-NaCl-MgCl₂熔融鹽中電解產物的宏觀圖片。

（g）熔融CaCl₂中加入不同量的CaO，電化學還原前的CV曲線。

（h）熔融CaCl₂, CaCl₂-NaCl, CaCl₂- MgCl₂中加入不同CaO后，電化學還原前的CV曲線。

（i）最優配比下CaCl2-NaCl-MgCl₂（2:4:1）電壓恒為-1.6 V, -1.8 V和-2.0 V時電解過程中的電流-時間曲線。

（j）電壓恒為-1.6 V時CaCl₂-NaCl, CaCl₂-NaCl, CaCl₂-NaCl-MgCl₂ 熔鹽電解過程中的電流-時間曲線。

圖-3. 電化學還原產物的表征

（a）最優配比下不同電壓條件下制備產物的XRD譜圖。

（b）最優制備條件下產物的SEM圖像。

（c）最優制備條件下產物的TEM圖像。

（d）最優制備條件下產物的HRTEM圖像及對應的FFT圖像。

圖-4. 硅納米線作為鋰離子電池負極材料的電化學性能

（a）電勢區間為0.01–2.0 V vs. Li/Li+時，Li-Si電池的充放電曲線。

（b）電流密度為0.5 C時，不同硅材料的循環性能和庫倫效率曲線。

（c）不同電流密度下，硅納米線電極的倍率性能曲線。

【小結】

本文以CaSiO₃為原料，借助低溫熔鹽電化學還原法成功制備了電化學性能優異的硅納米線。低熔點熔鹽的引入有效降低了反應溫度，CaO的引入促進了O^2-的傳遞，有效提高了反應動力學。該工作為硅的規模化綠色制備開辟了新途徑，同時為熔鹽電解提供了新的見解，有助于改進其他重要的電解金屬萃取工藝。

文獻鏈接：Low-Temperature Molten-Salt Production of Silicon Nanowires by the Electrochemical Reduction of CaSiO₃(Angew. Chem.?Int. Ed, 2017, DOI:?10.1002/anie.201707064)

本文由材料人編輯部張杰編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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