新聞動態陳情澤、朱潤良等-CC：研發黏土礦物高值利用新方法
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，是人類社會發展至為重要的非金屬礦產資源。我國黏土礦物資源儲量豐富、廉價易得，有明顯的資源優勢，但目前我國黏土礦物資源利用水平卻較低，產品附加值不高，急需實現黏土礦物高值利用基礎理論與關鍵技術的突破。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。與鋰金屬等正極材料相對應的負極材料也是生產電池的關鍵組成部分，“硅”被認為是最具應用前景的下一代鋰電負極材料，其理論比容量遠優于商業石墨負極材料（硅4200 mAh/g : 石墨372 mAh/g）。硅納米化已被證實是提升硅負極儲鋰性能的重要途徑之一。然而，納米硅的低成本規模制備技術目前仍未突破，嚴重制約其在鋰離子電池產業中的實際應用。
中國科學院廣州地球化學研究所應用礦物學課題組陳情澤副研究員和朱潤良研究員等，在探明黏土礦物微觀結構及反應特性的基礎上，提出了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。在前期工作中，他們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（J Mater Chem A 2018, 6, 6356; J Power Sources 2018, 405, 61）；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（如硅/碳、硅/碳化硅等復合材料），實現了對納米硅形貌和組分的精確調控（Chem Comm 2019, 55, 2644; Appl Surf Sci 2023, 617, 156566）。
通過放大實驗，確立了機械化學還原黏土礦物制備納米硅的新方法（圖1），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。該方法具有以下優點：1）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。2）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。3）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?；苽?。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。
在該技術研發過程中申請了相關專利，研究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?；苽浜蛯嶋H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。
圖1 （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構的納米硅形貌特征
上述研究得到廣東省重點領域研發計劃項目（2020B0101370003）、廣東省杰出青年基金項目（2023B1515020006）、中國科學院青年創新促進會項目（2020347）等項目的支持，研究成果發表在《Applied Surface Science》和Nature Index期刊《Chemical Communications》上。
論文信息：
1. Jing Du, Runliang Zhu, Qingze Chen*, Jieyang Xie, Haiyang Xian, Junping Zhang, Jianxi Zhu. In situ synthesis of stable silicon carbide-reinforced silicon nanosheets from organoclay for high-performance lithium-ion battery anodes. Applied Surface Science, 2023, 617, 156566.
2. Qingze Chen, Shoushu Wei, Runliang Zhu*, Jing Du, Jieyang Xie, Haiming Huang, Jianxi Zhu, Zhengxiao Guo. Mechanochemical reduction of clay minerals to porous silicon nanoflakes for high-performance lithium-ion battery anodes, Chemical Communications, 2023, 59, 14297-14300.
專利信息：
1. 朱潤良, 陳情澤, 杜靜, 何宏平, 朱建喜, 何秋芝, 楊奕煊, 魏洪燕. 一種利用黏土礦物制備碳化硅納米材料、含碳化硅納米復合材料的方法及應用. 國家發明專利, 專利號: ZL 201911212346.7.
2. 朱潤良, 陳情澤, 杜靜, 何宏平, 朱建喜, 何秋芝, 楊奕煊, 魏洪燕. 硅-過渡金屬硅化物納米復合材料及其制備方法與應用. 國家發明專利, 專利號: ZL 201911193255.3.
3. 陳情澤, 朱潤良, 杜靜, 韋壽淑, 何宏平, 朱建喜。利用黑滑石制備硅-碳納米復合材料的方法、產品及應用. 國家發明專利, 專利號: ZL 202111094497.4。
