河南科技大學Nanoscale：雙水解反應快速制備超細且分散均勻的SnO2納米粒子

背景介紹

SnO₂由于其較高的比容量和易于制備的特性而成為替代石墨負極的有利競爭者。然而，在鋰化/去鋰化循環中較大的體積膨脹導致活性顆粒的粉碎和電子導電網絡的破裂。通常，粉碎的顆粒無法參與隨后的鋰化/去鋰化反應，從而導致容量快速下降。此外，巨大的體積變化還導致固體電解質界面（SEI）膜的破壞。眾所周知，形成良好的SEI膜可以防止電解質與鋰活性材料接觸，并在較長的循環壽命內抑制電解質的電化學副反應。因此，一旦損壞了SEI膜，大量的SnO₂顆粒將重新暴露于電解質中。這些重新暴露的SnO₂顆粒具有新的表面，可以直接與電解質接觸，從而導致SEI膜的持續生長，這會阻礙離子/電子的傳輸并損害電池的電化學性能。納米尺寸的材料在解決體積膨脹方面具有重要意義。此外，納米材料還可以通過增加表面原子數，使反應部位更易于暴露，從而進一步提高比容量。因此，各種形態的納米級SnO₂被制備，以減輕體積膨脹，改善電池在較高的充電/放電電流密度下的循環穩定性。此外，對于超細納米顆粒而言在制備過程中容易團聚，所以想要制備粒徑小于10 nm的均勻分散的超細納米材料仍然是一個巨大的挑戰。

成果簡介

基于此，近期河南科技大學的雷建飛副教授團隊和洛陽理工學院王芳副教授團隊合作報道了一篇通過雙水解反應快速制備超細且分散均勻的SnO₂納米粒子的文章。在本文中，SnO₃^2-和Fe³⁺在水溶液中會發生劇烈的雙水解作用，形成帶負電的H₂SnO₃膠體粒子和帶正電的Fe(OH)₃膠體粒子，兩種帶電膠體粒子由于靜電自組裝作用形成蜂窩狀的“核-殼”單元。這種獨特的結構可以將H₂SnO₃膠體顆粒鎖在Fe(OH)₃的動態封閉室內，這可以防止H₂SnO₃的膠體顆粒在后續反應過程中進一步團聚。最后，通過水熱反應，這些“核-殼”單元將轉變成SnO₂?@ FeO(OH)復合結構，然后通過鹽酸腐蝕除去 FeO(OH)，最終形成直徑小于6nm的分散良好的SnO₂顆粒。研究成果以“Rapid Preparation of Ultra-fine and Well-dispersed SnO₂?Nano-particles Via Double Hydrolysis Reaction for Lithium Storage”為題發表在國際著名期刊Nanoscale上，其中，河南科技大學碩士生周玉林為第一作者，雷建飛副教授，王芳副教授為通訊作者。

圖文導讀

圖1：制備超細SnO₂的膠體粒子帶相反電荷的相互作用以及形成穩定的膠體溶

圖2：穩定膠體溶液水熱反應前后的Zeta電位曲線和粒徑/分布曲線（a和b反應之前； c和d反應以后）以及水熱反應之前的電泳實驗（e）。

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圖3超細SnO₂的制備過程示意圖。

小結

基于SnO₃^2-和Fe^{3 +}之間的雙重水解反應，并受益于H₂SnO₃和Fe(OH)₃帶電膠體顆粒的靜電自組裝作用，制備了超細且分散良好的SnO₂顆粒。 提出了蜂窩狀“核殼”單元來解釋超細顆粒的形成。 除此之外，本文將碳用作SnO₂的導電網絡和分散介質，制備的超細SnO₂?/ C負極材料在鋰存儲方面表現出出色的性能。

文獻鏈接：Rapid preparation of ultra-fine and well-dispersed SnO₂?nanoparticles via a double hydrolysis reaction for lithium storage, Nanoscale, 2020, 12, 15697–15705,

https://doi.org/10.1039/D0NR02219E

本文由作者團隊供稿。