1. 研究目的与意义
随着社会生产力的发展，对于能源的需求日益增加，传统的化石能源对于环境污染严重、能量利用率低，最重要的是不可再生资源日益紧缺。风能、太阳能和潮汐能等可再生能源的合理利用是解决全球能源危机和环境污染问题的有效手段之一。高效的储能器件是发展新型能源的关键。上世纪90年代起，锂离子电池(libs)因其高能量密度、无自放电、无记忆性等特点，占据了全球能源消费市场主导地位，被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车等领域。但近年来，由于锂资源短缺且分布不均的问题，libs生产成本一直居高不下。同时，手机、电动汽车自燃爆炸事故频发，引起人们对于libs安全性的高度关注。因此，我们迫切需要探索开发一套更为廉价和安全的储能体系，以应对libs在大规模储能领域上的局限性。近年来，作为多价离子电池代表之一的镁离子电池(mibs)因金属镁具有良好的稳定性、更小的离子半径(0.072 nm)、较低的还原电位(#8722;2.356 v相对于标准氢电极)和更高的体积比容量 (3833 mahcm#8722;3)，相比于其它后libs技术展现出了更大的应用潜力。此外，镁元素在地壳中的储量(2.3%)是锂储量(0.0022%)的1045倍，丰富的镁资源使mibs具有更低的生产成本。更重要的是，并且不易生长镁枝晶。基于以上优势，发展高性能mibs大规模储能技术具有巨大的吸引力。尽管mibs拥有一定的应用潜力，但是仍面临来自正极、电解液和负极的一系列挑战。首先，mg2 离子半径小、电荷密度高，与电极材料具有强库伦相互作用，在嵌入/脱出和扩散到主体材料的过程中展现出迟滞的动力学特征。其次，镁电解液通常面临着与正极兼容性差、电化学窗口窄和沉积过电位高等问题，限制了高压 mibs的发展。最后，镁有机电解液(特别是碳酸酯和腈类)易与金属镁负极发生反应并在其表面沉积形成钝化层，增加了负极界面电阻，影响mibs的可逆性。为了发展高性能mibs，推进正极、电解液和负极材料的技术创新迫在眉睫。
正极材料的相关研究工作早在二十多年以前就已经开始展开，到目前为止，虽然取得了一些突破和进展，但在实用性方面还有相当大的不足。2000年，aurbach课题组开创性地报道了以谢弗雷尔(chevrel phase)mo6s8为正极的可充电mibs。随后，基于镁离子嵌入/脱出机理的插层型正极材料被大量报道，使mibs的性能不断提升，但仍面临放电容量低和动力学缓慢的问题。
当科学家们在社会生活中遇到棘手的问题时，往往会将目光投向大自然，通过研究生物体内奇妙的化学变化而得到启发，或模拟生物细胞而得到具有特殊功能的新型材料。这种方法也在光催化废水处理、电池、超级电容器等重要领域有所应用，如ahmad najafidoust等利用生物模板在基质上合成出了极小平均粒径尺寸(约为26nm)的tio2纳米材料，在运用亚甲基蓝模拟废水中的有机染料测试下显示出了较好的光催化废水处理效果；又如zhang等通过冷冻干燥技术和碳热还原法，在高能生物模板的辅助下，合成过一种包含富勒烯c60、na4feo3、高能li3v2(po4)3及软碳的四元杂化超结构材料，该材料在电池及超级电容器混合设备等领域有着广阔前景。以上结果均能证明，生物模板对材料结构的修饰作用可以提升材料在各方面的性能，并且生物模板的作用机理的神秘面纱也逐渐被揭开。国内外的学者们也将这种研究方法运用到了电极材料的合成中。如xia等利用自然界中的玫瑰花粉为生物模板与碳源，使得样品复刻了其微观结构，制备出具有更好循环及倍率等电化学性能的多孔sio@c负极材料以提升libs的性能；又如du等以木棉纤维为生物模板和碳源，通过微管法成功制备出fe3o4/c材料，探讨了其作为负极材料的性能。综上所述，生物模板法不仅仅是作为一种简便、经济、绿色的合成方法在光催化污水处理、气体感应、催化等材料合成方面发挥了重要作用，在光电化学、超级电容器、mibs的相关材料合成中的应用前景也十分广泛。
2. 研究内容和预期目标
以植物花瓣和叶片为碳源和模板，结合水热反应合成、高温煅烧获得fe7s8/c复合材料，并将所得材料用于mibs正极材料。论文将探索不同生物衍生碳对所得复合材料的组成、形貌和结构的影响，并与不含生物碳的单纯fe7s8做对比；同时，论文还将测定所得材料用作镁电池正极材料时的电化学性能，并确定合成fe7s8/c复合材料最佳的条件。具体研究内容包括：
(1)采集用作植物模板的山茶花花瓣和包菜叶片，对模板进行预处理；
(2)通过离子自渗透法，结合溶剂热合成、经煅烧得到fe7s8/c复合材料，分析不添加生物模板、采用不同生物碳源所得材料的晶型、结构和形貌差异；
3. 研究的方法与步骤
本实验使用的方法和步骤如下：
fe7s8/c复合材料
(1)采集约若干山茶花花瓣及包菜模板。
4. 参考文献
[1] dong, y., zhang, y., wang, n., et al., pod‐like fe7s8@n#8722;c nanowires for high performance sodium ion batteries. batteries amp; supercaps 2021, 5 (1).
[2] shi, l., li, d., yu, j., et al., uniform core-shell nano biscuits of fe7s8@c for lithium-ion and sodium-ion batteries with excellent performance. journal of materials chemistry a 2018, 6 (17), 7967-7976.
[3] jiang, f., zhang, l., zhao, w., et al., micro structured sulfur-doped carbon-coated fe7s8 composite for high-performance lithium and sodium storage. acs sustainable chemistry amp; engineering 2020, 8 (31), 11783-11794.
5. 计划与进度安排
(1) 第1周~第3周，查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；采集植物模板并进行预处理；同时进行外文文献翻译，论文前言部分的撰写；
(2) 第4周~第6周，制备纯fe7s8、以及以不同植物为模板合成fe7s8/c复合材料；对所制备的材料进行tg、xrd、sem、raman等表征；并探索材料制备条件对材料结构的影响；
(3) 第7周~第10周，将所得材料组装成电池，测定样品的电化学性能，并比较不同材料性能的差异；
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