研究人員研發出黏土礦物高值利用新方法

發布時間：2024-01-02 15:51 原文鏈接：研究人員研發出黏土礦物高值利用新方法

　　中國科學院廣州地球化學研究所副研究員陳情澤和研究員朱潤良等在探明黏土礦物微觀結構及反應特性的基礎上，提出利用黏土礦物制備高性能硅納米材料的新技術，并取得系列進展。近日，相關成果發表于Applied Surface Science和Chemical Communications。

　　黏土礦物是一類具有典型層狀結構的含水鋁硅酸鹽礦物，因其特殊的晶體化學特征（SiO2含量可高達60%）及獨特的天然納米層狀結構，使其廣泛應用于工農業生產各個方面。低碳經濟和我國“雙碳”戰略的時代背景下，以鋰電池為代表的新能源經濟為黏土礦物資源的高值利用提供了發展契機。

　　在前期工作中，研究人員綜合利用黏土礦物的天然納米結構和較高硅含量的特點，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構的多種硅納米材料，并揭示了黏土礦物與納米硅之間的結構對應關系及反應機制，以及納米硅的微觀結構與儲鋰性能之間的構效關系；利用黏土礦物對層間有機物的納米限域保護效應，制備黏土礦物和類石墨烯間層復合物，通過進一步還原改造，研制了儲鋰循環穩定性更好的硅基納米復合負極材料，實現了對納米硅形貌和組分的精確調控。

　　通過放大實驗，該研究確立了機械化學還原黏土礦物制備納米硅的新方法，通過對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。該方法具有三大優點：一是，一體化生產。通過高能機械球磨生熱引發金屬熱還原反應，無需額外能量輸入，同時保證固相反應的均勻性，簡化工序，減少副反應，提高納米硅產率。二是，保留納米結構。黏土礦物的納米級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過程中仍能維持結構，克服了機械法在控制納米硅形貌上的局限性。三是，原料簡單易得。該方法所用原料豐富、工藝簡單、容易放大，有利于納米硅的規模化制備。將所得硅納米材料用作鋰離子電池的負極材料，其在半電池和全電池中均表現出優異的儲鋰性能。

　　該技術研發過程中申請了相關專利，相關成果已形成專利保護群，涵蓋黏土礦物改性方法、納米硅制備技術、配套設備研發等方面，為高性能鋰離子電池硅負極材料的規模化制備和實際應用提供了理論支撐，同時為黏土礦物資源的高值利用提供了新思路。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156566