Angew. Chem. Int. Ed.：低温熔盐电化学还原CaSiO3制备硅纳米线

【引言】

硅不仅是微电子领域的基础材料，而且也是可再生能源领域的一种关键材料。硅的工业化生产主要通过二氧化硅（SiO₂）的碳热还原进行制备。需要指出的是：该方法虽然可以实现硅的规模化制备，但是相对较高的能耗、较低的能量转化效率以及较高的二氧化碳排放量导致了硅的成本较高，限制了其全面推广。以无机熔盐为电解质的电化学还原可以将SiO₂还原为单质硅。熔盐的使用不仅可以明显降低反应温度，而且可以一步法直接实现单质硅的制备。

【成果简介】

近日，威斯康辛大学麦迪逊分校的金松教授和武汉理工大学的麦立强教授（共同通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Low-Temperature Molten-Salt Production of Silicon Nanowires by the Electrochemical Reduction of CaSiO₃”的学术论文，报道了低温熔盐电化学还原CaSiO₃制备硅纳米线的最新研究进展。研究人员选择硅酸钙（CaSiO₃）为原料，低熔点的三元熔盐（氯化钙-氯化镁-氯化钠 CaCl2-MgCl₂-NaCl）为电解质，氧化钙（CaO）为辅助电解质，在相对较低的温度下（650 ℃）下，利用电化学还原法成功制备了硅纳米线（Si NWs）。该方法制备的Si NWs可以作为锂离子电池的负极材料，在电化学性能测试中表现出优异的循环性能。

【图文导读】

图-1. 熔盐电解池示意图和实物图

（a）熔盐电解池示意图。

（b）熔盐电解池实物图。

图-2. 不同的实验方案设计、产物图片和电化学曲线

（a）有效电化学还原CaSiO₃前驱体熔盐的不同实验方案。

（b）产物的宏观图片。

（c）分散在Si晶片上的产物的SEM图像，产物通过在熔融CaCl₂
中加入CaO作为支持电解质，电解CaSiO₃得到。

（d）CaCl₂-NaCl熔盐中电解产物的宏观图片。

（e）CaCl₂-NaCl熔盐中电解产物的宏观图片。

（f）CaCl₂-NaCl-MgCl₂熔融盐中电解产物的宏观图片。

（g）熔融CaCl₂中加入不同量的CaO，电化学还原前的CV曲线。

（h）熔融CaCl₂, CaCl₂-NaCl, CaCl₂- MgCl₂中加入不同CaO后，电化学还原前的CV曲线。

（i）最优配比下CaCl2-NaCl-MgCl₂（2:4:1）电压恒为-1.6 V, -1.8 V和-2.0 V时电解过程中的电流-时间曲线。

（j）电压恒为-1.6 V时CaCl₂-NaCl, CaCl₂-NaCl, CaCl₂-NaCl-MgCl₂ 熔盐电解过程中的电流-时间曲线。

图-3. 电化学还原产物的表征

（a）最优配比下不同电压条件下制备产物的XRD谱图。

（b）最优制备条件下产物的SEM图像。

（c）最优制备条件下产物的TEM图像。

（d）最优制备条件下产物的HRTEM图像及对应的FFT图像。

图-4. 硅纳米线作为锂离子电池负极材料的电化学性能

（a）电势区间为0.01–2.0 V vs. Li/Li+时，Li-Si电池的充放电曲线。

（b）电流密度为0.5 C时，不同硅材料的循环性能和库伦效率曲线。

（c）不同电流密度下，硅纳米线电极的倍率性能曲线。

【小结】

本文以CaSiO₃为原料，借助低温熔盐电化学还原法成功制备了电化学性能优异的硅纳米线。低熔点熔盐的引入有效降低了反应温度，CaO的引入促进了O^2-的传递，有效提高了反应动力学。该工作为硅的规模化绿色制备开辟了新途径，同时为熔盐电解提供了新的见解，有助于改进其他重要的电解金属萃取工艺。

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

本文由材料人编辑部张杰编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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