单原子材料（SAMs）独特的配位构型使其能够在原子尺度上实现精确的反应控制，具有潜在的电化学反应活性，然而高负载量的主族元素材料的制备仍是一项巨大挑战。
2024年11月9日，福建师范大学洪振生教授团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Highly Reversible Sodium Metal Batteries Enabled by Extraordinary Alloying Reaction of Single‐Atom Antimony”的研究论文，团队成员Si Zhao、Xudong Chen为论文共同第一作者，洪振生教授、安庆师范大学张燕副教授、浙江大学陆俊教授为论文共同通讯作者。
该研究中，采用多场调控合成（MRS）技术，快速制备了负载量高达15 wt.%的单原子锑（Sb）。从头算分子动力学AIMD模拟揭示了多物理场耦合显著增强了锑与氮掺杂石墨烯的反应动力学。与常见的金属锑纳米颗粒相比，原子级分散的锑在赝电容合金化-去合金化过程中应力变化和体积膨胀可以忽略不计，因此表现出快速的电化学反应动力学和结构稳定性。如此优异的合金化反应特性使得分散均匀的锑原子能够实现均匀离子迁移，作为钠金属成核和生长的活性成核位点。因此，采用厚度≈3 µm的此类材料涂覆的铜箔展示出高达99.99%的库仑效率、超低的过电位（3 mV）及在对称电池中超过2500小时的长寿命。此外，构建的无负极MRS-SbSA||Na3V2（PO4）3电池表现出极高的能量密度（约362 Wh Kg⁻¹）、出色的倍率性能和良好的循环稳定性。
DOI：10.1002/aenm.202403432
在传统的仅依靠热场的加热方式中，原子扩散过程相对缓慢，难以实现金属原子与配位原子的快速结合。近年来，一些具有出色动力学性能的创新烧结方法被开发出来，以快速制备材料，例如焦耳加热和碳热冲击法。受此启发，该研究提出了一种多场调控合成（MRS）路线，包括电场、热场和压力场，能够在数分钟内快速制备单原子锑。这种多物理场耦合的合成方法实现了高达15 wt.%的单原子锑（MRS-SbSA）负载量。与传统低单原子含量的烧结方法相比，MRS-SbSA中分散良好的Sb原子为钠金属负极提供了丰富的成核位点，有助于控制钠离子迁移并促进钠金属的均匀沉积。同时，原子级的合金化-去合金化过程显著缓解了体积膨胀和机械应力，从而大幅提升了电化学可逆性。因此，MRS-SbSA||Na半电池即使在1800次循环后仍表现出约99.9%的高库仑效率（CE），而MRS-SbSA-Na对称电池展现出超低过电位及极长的循环寿命。此外，构建的无负极MRS-SbSA||NVP电池展示出极高的能量密度和优异的倍率性能。该研究为高负载量金属单原子的合成及其在可充电电池中的独特性能与应用提供了新见解。
总之该研究首次展示了一种通过多物理场耦合加热途径快速合成高负载单原子锑的方法。研究表明，该烧结方法显著提升了锑金属原子的扩散动力学及Sb-N键的形成。该材料在调控钠金属电沉积方面表现出卓越的性能，这归因于其丰富的活性位点、稳定且高度可逆的电容合金化/去合金化反应。这种原子尺度上的优异合金化反应能够有效调控均匀的钠离子迁移，使成核能垒极小化，从而实现钠金属负极的均匀成核和生长。在MRS-SbSA||Na半电池中，库仑效率（CE）在1800次循环后保持在99.9%以上，而MRS-SbSA-Na对称电池展现出3 mV的低过电位和长达2500小时的循环寿命。基于该材料构建的无负极MRS-SbSA||Na3V2（PO4）3电池具有约362 Wh kg⁻¹的高能量密度、出色的倍率性能和良好的循环稳定性。该研究为高负载单原子材料的制备提供了基础视角，并展示了其卓越的电化学性能。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
