單原子銅摻雜碳纖維薄膜的制備及其對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)性能的多維度探究一、引言1.1研究背景1.1.1鈉金屬電池的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，開(kāi)發(fā)高效、可持續(xù)的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。在眾多新型電池技術(shù)中，鈉金屬電池憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。鈉元素在地殼中的儲(chǔ)量極為豐富，分布廣泛，其成本相對(duì)較低，這為鈉金屬電池的大規(guī)模生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的資源基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鈉金屬電池具有較高的理論比容量，能夠?yàn)殡姵靥峁└鼜?qiáng)大的能量輸出，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，鈉金屬電池在一些特殊環(huán)境下，如低溫環(huán)境，表現(xiàn)出了更好的性能，這使得它在寒冷地區(qū)的能源存儲(chǔ)和應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。因此，鈉金屬電池被認(rèn)為是最具潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，有望在智能電網(wǎng)、可再生能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題提供有效的解決方案。然而，鈉金屬電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其中，鈉金屬負(fù)極所存在的問(wèn)題尤為突出，嚴(yán)重制約了電池的性能和安全性。在充放電過(guò)程中，鈉金屬負(fù)極會(huì)不可避免地出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)現(xiàn)象。這些枝晶會(huì)隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行而不斷生長(zhǎng)，逐漸穿透電池的隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極之間發(fā)生短路，從而引發(fā)電池失效，甚至可能引發(fā)安全事故，如起火、爆炸等，給用戶(hù)帶來(lái)極大的安全隱患。此外，鈉金屬在充放電過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)也十分顯著。這種體積的大幅變化會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，使得電極材料與電解液之間的接觸變差，進(jìn)而降低電池的庫(kù)倫效率，縮短電池的循環(huán)壽命，影響電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。因此，解決鈉金屬負(fù)極的枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)鈉金屬電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵所在，也是當(dāng)前電池領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。1.1.2碳纖維薄膜作為鈉金屬負(fù)極保護(hù)材料的優(yōu)勢(shì)為了克服鈉金屬負(fù)極所面臨的挑戰(zhàn)，研究人員一直在積極探索各種有效的解決方案。其中，使用保護(hù)材料來(lái)改善鈉金屬負(fù)極的性能是一種極具潛力的策略。在眾多的保護(hù)材料中，碳纖維薄膜因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。碳纖維薄膜具有出色的導(dǎo)電性，能夠?yàn)殡娮犹峁┛焖賯鬏數(shù)耐ǖ?，有效降低電池的?nèi)阻，提高電池的充放電效率。這使得電池在充放電過(guò)程中能夠更加迅速地響應(yīng)，減少能量的損耗，提升電池的整體性能。同時(shí)，碳纖維薄膜還擁有高比表面積，這一特性使其能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于鈉離子的均勻沉積和脫出。在充放電過(guò)程中，鈉離子可以更加有序地在這些活性位點(diǎn)上進(jìn)行反應(yīng)，從而有效抑制鈉枝晶的生長(zhǎng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，碳纖維薄膜還具備良好的機(jī)械性能，能夠承受一定程度的外力作用，不易發(fā)生變形或破裂。這使得它在電池內(nèi)部復(fù)雜的工作環(huán)境中，能夠?yàn)殁c金屬負(fù)極提供穩(wěn)定的支撐和保護(hù)，防止負(fù)極材料因受到外力沖擊而損壞，確保電池的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。綜上所述，碳纖維薄膜作為鈉金屬負(fù)極的保護(hù)材料，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，有望為解決鈉金屬負(fù)極的問(wèn)題提供有效的途徑，推動(dòng)鈉金屬電池的發(fā)展和應(yīng)用。1.1.3單原子摻雜技術(shù)的應(yīng)用與意義近年來(lái)，單原子摻雜技術(shù)作為一種新興的材料改性方法，在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。單原子摻雜是指將單個(gè)原子均勻地分散在材料的晶格中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控。這種技術(shù)能夠極大地增強(qiáng)材料的性能，為材料的應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。在眾多的單原子摻雜研究中，單原子銅摻雜因其獨(dú)特的性質(zhì)和顯著的效果而備受關(guān)注。銅原子具有合適的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性，將其摻雜到碳纖維薄膜中，可以產(chǎn)生一系列積極的影響。一方面，單原子銅摻雜能夠增加碳纖維薄膜的活性位點(diǎn)。這些新增的活性位點(diǎn)為鈉離子的存儲(chǔ)和傳輸提供了更多的通道，使得鈉離子在薄膜中的遷移更加順暢，從而提高了電池的充放電性能。另一方面，單原子銅摻雜還能夠優(yōu)化碳纖維薄膜的電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變薄膜中電子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了材料的導(dǎo)電性和電子傳輸效率，進(jìn)一步增強(qiáng)了電池的性能。此外，單原子銅摻雜還可以改善碳纖維薄膜與鈉金屬負(fù)極之間的界面相容性，增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，提高電池的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。因此，單原子銅摻雜技術(shù)在碳纖維薄膜用于鈉金屬負(fù)極保護(hù)的研究中具有重要的應(yīng)用潛力，有望為解決鈉金屬電池的關(guān)鍵問(wèn)題提供新的思路和方法，推動(dòng)鈉金屬電池技術(shù)的突破和發(fā)展。1.2研究目的與意義本研究旨在制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜，并深入探究其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能，為解決鈉金屬電池中鈉金屬負(fù)極存在的關(guān)鍵問(wèn)題提供新的策略和方法，推動(dòng)鈉金屬電池的實(shí)用化進(jìn)程。鈉金屬電池因其資源豐富、理論比容量高、成本低等優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望成為緩解能源危機(jī)和應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)的重要技術(shù)手段。然而，鈉金屬負(fù)極在充放電過(guò)程中容易出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹的問(wèn)題，這不僅嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命和庫(kù)倫效率，還會(huì)引發(fā)安全隱患，成為阻礙鈉金屬電池商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。目前，雖然已經(jīng)有多種方法被嘗試用于解決這些問(wèn)題，如電解液添加劑、固體電解質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，但仍未能完全克服這些挑戰(zhàn)，因此，開(kāi)發(fā)新型有效的鈉金屬負(fù)極保護(hù)材料和技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。碳纖維薄膜作為一種具有高導(dǎo)電性、高比表面積和良好機(jī)械性能的材料，在鈉金屬負(fù)極保護(hù)方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在碳纖維薄膜上負(fù)載功能性物質(zhì)，可以進(jìn)一步提升其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)效果。單原子摻雜技術(shù)作為一種新興的材料改性方法，能夠在原子尺度上精確調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性，為提升材料性能提供了新的途徑。將單原子銅摻雜到碳纖維薄膜中，有望充分發(fā)揮單原子銅和碳纖維薄膜的協(xié)同作用，為鈉金屬負(fù)極提供更有效的保護(hù)。本研究通過(guò)制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜，并系統(tǒng)研究其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能，具體意義如下：其一，深入揭示單原子銅摻雜對(duì)碳纖維薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響機(jī)制，以及單原子銅摻雜碳纖維薄膜與鈉金屬負(fù)極之間的相互作用機(jī)制，豐富和完善鈉金屬電池負(fù)極保護(hù)材料的理論體系；其二，為解決鈉金屬負(fù)極的枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹問(wèn)題提供新的策略和方法，有效提升鈉金屬電池的循環(huán)壽命、庫(kù)倫效率和安全性能，推動(dòng)鈉金屬電池技術(shù)的進(jìn)步；其三，開(kāi)發(fā)出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的單原子銅摻雜碳纖維薄膜材料，為鈉金屬電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的存儲(chǔ)和利用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究主要圍繞單原子銅摻雜碳纖維薄膜的制備及其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能展開(kāi)，具體研究?jī)?nèi)容如下：?jiǎn)卧鱼~摻雜碳纖維薄膜的制備工藝研究：探索以靜電紡絲技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合后續(xù)碳化處理制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜的最佳工藝參數(shù)。通過(guò)調(diào)控含氮高分子聚合物與銅鹽的質(zhì)量比、溶劑種類(lèi)、靜電紡絲過(guò)程中的電壓、接收距離、噴頭內(nèi)徑、推進(jìn)速度，以及碳化過(guò)程中的升溫速率、保溫時(shí)間和溫度等條件，制備出具有不同單原子銅負(fù)載量和微觀(guān)結(jié)構(gòu)的碳纖維薄膜。旨在獲得單原子銅均勻分散、負(fù)載量可控且薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。單原子銅摻雜碳纖維薄膜的結(jié)構(gòu)與性能表征：運(yùn)用多種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對(duì)制備得到的單原子銅摻雜碳纖維薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)等進(jìn)行全面深入的分析。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察薄膜的表面形貌和纖維結(jié)構(gòu)，了解纖維的直徑分布和排列情況；通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM），特別是球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM），確定單原子銅在碳纖維薄膜中的原子級(jí)分布狀態(tài)，觀(guān)察是否存在銅原子的團(tuán)聚現(xiàn)象；采用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析薄膜表面的元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)，明確銅原子與碳纖維之間的化學(xué)結(jié)合方式；借助X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，分析單原子銅摻雜對(duì)碳纖維晶體結(jié)構(gòu)的影響。此外，還將測(cè)試薄膜的導(dǎo)電性、比表面積等性能參數(shù)，為研究其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)性能的測(cè)試：將制備的單原子銅摻雜碳纖維薄膜應(yīng)用于鈉金屬電池中，以金屬鈉為負(fù)極，選用合適的正極材料和電解液，組裝成半電池和全電池體系。通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）、恒電流充放電測(cè)試（GCD）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)研究薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極在充放電過(guò)程中的循環(huán)穩(wěn)定性、庫(kù)倫效率、倍率性能等方面的影響。在不同的電流密度和充放電循環(huán)次數(shù)下，對(duì)比未使用保護(hù)薄膜的鈉金屬電池，評(píng)估單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)電池性能的提升效果。同時(shí)，觀(guān)察電池在充放電過(guò)程中的電壓變化、容量衰減情況，分析薄膜對(duì)抑制鈉枝晶生長(zhǎng)和緩解鈉金屬體積膨脹的作用。單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)作用機(jī)制的分析：結(jié)合材料表征和電池性能測(cè)試結(jié)果，深入探究單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)作用機(jī)制。從微觀(guān)層面，分析單原子銅的存在如何影響碳纖維薄膜的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性，進(jìn)而影響鈉離子在薄膜與鈉金屬負(fù)極界面處的沉積和脫出行為。通過(guò)理論計(jì)算，如密度泛函理論（DFT）計(jì)算，研究單原子銅與鈉離子之間的相互作用能、電荷轉(zhuǎn)移情況，以及單原子銅對(duì)碳纖維薄膜表面電場(chǎng)分布的影響，解釋薄膜如何促進(jìn)鈉離子的均勻沉積，抑制鈉枝晶的生長(zhǎng)。從宏觀(guān)層面，分析薄膜的物理阻隔作用和機(jī)械支撐作用對(duì)鈉金屬負(fù)極體積膨脹的緩解效果，探討薄膜與鈉金屬負(fù)極之間形成的穩(wěn)定界面層對(duì)電池循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率的提升機(jī)制。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將采用以下研究方法：靜電紡絲技術(shù)制備薄膜：選用合適的含氮高分子聚合物，如聚丙烯腈（PAN），與銅鹽按照一定質(zhì)量比溶解于特定溶劑，如N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在一定溫度下攪拌反應(yīng)形成均勻的紡絲溶液。將該溶液裝入帶有特定內(nèi)徑噴頭的注射器中，在設(shè)定的電壓和接收距離條件下進(jìn)行靜電紡絲。通過(guò)精確控制紡絲溶液的推進(jìn)速度，使溶液在電場(chǎng)力作用下形成納米纖維，并在接地的收集裝置上沉積，得到金屬/聚合物納米纖維膜。該技術(shù)能夠精確控制纖維的直徑和形態(tài)，為制備高質(zhì)量的單原子銅摻雜碳纖維薄膜奠定基礎(chǔ)。材料表征技術(shù)分析薄膜結(jié)構(gòu)與性能：利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行觀(guān)察，獲取纖維的形態(tài)、直徑和分布信息；透射電子顯微鏡（TEM），尤其是球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM），用于確定單原子銅在碳纖維薄膜中的原子級(jí)分布；X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）用于分析薄膜表面元素的化學(xué)價(jià)態(tài)和組成；X射線(xiàn)衍射（XRD）用于研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)；比表面積分析儀用于測(cè)定薄膜的比表面積；四探針?lè)ㄓ糜跍y(cè)量薄膜的導(dǎo)電性。這些表征技術(shù)相互配合，全面揭示單原子銅摻雜碳纖維薄膜的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。電池測(cè)試技術(shù)評(píng)估保護(hù)性能：組裝鈉金屬半電池和全電池，采用循環(huán)伏安法（CV）研究電池在不同掃描速率下的電化學(xué)行為，確定電池的氧化還原反應(yīng)電位和可逆性；恒電流充放電測(cè)試（GCD）用于測(cè)量電池的容量、庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性；電化學(xué)阻抗譜（EIS）用于分析電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)阻變化，包括電荷轉(zhuǎn)移電阻和離子擴(kuò)散電阻等。通過(guò)這些測(cè)試，系統(tǒng)評(píng)估單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)性能的影響。理論計(jì)算深入探究保護(hù)機(jī)制：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）計(jì)算，建立單原子銅摻雜碳纖維薄膜與鈉離子相互作用的理論模型。計(jì)算單原子銅與鈉離子之間的吸附能、電荷轉(zhuǎn)移情況，以及摻雜對(duì)碳纖維薄膜電子結(jié)構(gòu)和表面電場(chǎng)分布的影響。通過(guò)模擬分析，從原子和電子層面深入理解單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)作用機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論解釋和指導(dǎo)。二、單原子銅摻雜碳纖維薄膜的制備2.1制備方法選擇與原理2.1.1靜電紡絲法原理與優(yōu)勢(shì)靜電紡絲法是一種特殊的纖維制造工藝，其原理基于高壓靜電場(chǎng)下導(dǎo)電流體產(chǎn)生高速?lài)娚洹Ｔ摲椒ǖ幕具^(guò)程如下：首先，將聚合物溶液或熔體裝入帶有噴頭的注射器中，在注射器的針頭與接地的收集裝置之間施加幾千至上萬(wàn)伏的高壓靜電，使聚合物溶液或熔體帶上電荷。當(dāng)帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下到達(dá)毛細(xì)管的泰勒錐（Taylorcone）頂點(diǎn)時(shí)，如果電場(chǎng)力足夠大，液滴會(huì)克服表面張力形成噴射細(xì)流。在噴射過(guò)程中，溶劑逐漸蒸發(fā)或熔體固化，細(xì)流最終落在接收裝置上，形成類(lèi)似非織造布狀的纖維氈。靜電紡絲法具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，使其在制備納米纖維材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在制備連續(xù)纖維方面，該方法能夠直接、連續(xù)地制備聚合物納米纖維，這是其他一些傳統(tǒng)制備方法所無(wú)法比擬的。通過(guò)精確控制靜電紡絲的工藝參數(shù)，如電壓、接收距離、溶液流速等，可以制備出長(zhǎng)度可控的連續(xù)纖維，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)纖維長(zhǎng)度的需求。在精確控制纖維直徑和形態(tài)方面，靜電紡絲法也表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，當(dāng)電壓增加時(shí)，電場(chǎng)力增大，對(duì)聚合物液滴的拉伸作用增強(qiáng)，從而使纖維直徑減?。蝗欢?，過(guò)高的電壓可能導(dǎo)致珠狀或串珠狀納米纖維的形成。溶液流速也對(duì)纖維直徑有重要影響，較高的紡絲速率通常導(dǎo)致纖維直徑增加，甚至可能形成珠狀纖維。此外，針距（針頭與收集器的距離）影響電場(chǎng)強(qiáng)度和紡絲液溶劑的揮發(fā)，進(jìn)而影響纖維的直徑；收絲筒速度的變化也會(huì)影響纖維直徑，轉(zhuǎn)速越高，纖維直徑越小。通過(guò)合理調(diào)整這些參數(shù)，可以精確控制纖維的直徑，使其達(dá)到納米級(jí)別的精度，并且能夠制備出具有不同形態(tài)的纖維，如圓形、扁平形、多孔形等，以滿(mǎn)足不同材料性能和應(yīng)用的要求。2.1.2選擇靜電紡絲法制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜的依據(jù)選擇靜電紡絲法制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜，主要基于以下幾個(gè)關(guān)鍵因素。首先，靜電紡絲法能夠?qū)崿F(xiàn)單原子銅在碳纖維薄膜中的均勻分散。在制備過(guò)程中，將含銅鹽的聚合物溶液進(jìn)行靜電紡絲，銅鹽隨著聚合物溶液一起被噴射并固化成纖維，由于溶液在電場(chǎng)力作用下的均勻分散特性，使得銅原子能夠均勻地分布在纖維中。后續(xù)的碳化處理進(jìn)一步使銅原子與碳纖維結(jié)合，形成穩(wěn)定的單原子銅摻雜結(jié)構(gòu)。這種均勻分散的單原子銅能夠充分發(fā)揮其對(duì)碳纖維薄膜性能的調(diào)控作用，為改善鈉金屬負(fù)極性能提供了有力保障。其次，靜電紡絲法可以制備出自支撐薄膜結(jié)構(gòu)。通過(guò)靜電紡絲得到的金屬/聚合物納米纖維膜，在經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化和碳化處理后，能夠保持連續(xù)的薄膜形態(tài)。這種自支撐薄膜結(jié)構(gòu)無(wú)需額外的支撐材料，自身就具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，便于在電池中進(jìn)行組裝和應(yīng)用。對(duì)于鈉金屬負(fù)極保護(hù)材料而言，自支撐薄膜結(jié)構(gòu)能夠直接與鈉金屬負(fù)極貼合，有效阻擋鈉枝晶的生長(zhǎng)，同時(shí)為鈉金屬提供穩(wěn)定的支撐，緩解其體積膨脹帶來(lái)的應(yīng)力。再者，靜電紡絲法的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作和控制。該方法只需通過(guò)調(diào)節(jié)電壓、接收距離、溶液流速等參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維直徑、形態(tài)以及單原子銅負(fù)載量的精確調(diào)控。與其他一些復(fù)雜的制備方法相比，如原子層沉積法、化學(xué)氣相沉積法等，靜電紡絲法不需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝條件，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。這使得單原子銅摻雜碳纖維薄膜的制備能夠滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)的需求，為其在鈉金屬電池中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備2.2.1材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)選用的材料主要包括含氮高分子聚合物、金屬鹽、溶劑以及其他輔助材料，具體信息如下：聚丙烯腈（PAN）：作為含氮高分子聚合物，其平均分子量為150,000，純度大于99%。PAN具有良好的成纖性和熱穩(wěn)定性，在本實(shí)驗(yàn)中作為碳纖維的前驅(qū)體，為形成碳纖維薄膜提供碳源和氮源，有助于在碳化過(guò)程中形成穩(wěn)定的碳骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)其含有的氮元素可以與單原子銅形成配位作用，穩(wěn)定單原子銅的存在。五水硝酸銅（）：分析純，純度大于99%。作為銅源，用于提供單原子銅摻雜所需的銅原子。通過(guò)精確控制其與聚丙烯腈的質(zhì)量比，可以調(diào)控單原子銅在碳纖維薄膜中的負(fù)載量。在靜電紡絲溶液制備過(guò)程中，五水硝酸銅溶解在溶劑中，與聚丙烯腈均勻混合，在后續(xù)的碳化過(guò)程中，銅原子被還原并以單原子形式分散在碳纖維薄膜中。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）：分析純，純度大于99%。作為溶劑，具有良好的溶解性，能夠?qū)⒕郾╇婧臀逅跛徙~充分溶解，形成均勻穩(wěn)定的紡絲溶液。其高沸點(diǎn)（153℃）有助于在靜電紡絲過(guò)程中保持溶液的穩(wěn)定性，同時(shí)在碳化過(guò)程中，DMF會(huì)逐漸揮發(fā)，不會(huì)對(duì)最終的碳纖維薄膜結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不良影響。其他材料：實(shí)驗(yàn)中還使用了去離子水，用于清洗實(shí)驗(yàn)儀器和相關(guān)材料，以確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境和材料的純凈度，避免雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。此外，在靜電紡絲過(guò)程中，使用了錫箔紙作為接收裝置，用于收集紡絲形成的金屬/聚合物納米纖維膜，錫箔紙具有良好的導(dǎo)電性和柔韌性，便于操作和后續(xù)處理。2.2.2設(shè)備儀器本實(shí)驗(yàn)中使用的主要設(shè)備儀器包括靜電紡絲設(shè)備、馬弗爐、炭化爐以及多種材料表征儀器，具體信息如下：靜電紡絲設(shè)備：型號(hào)為JDF-500，購(gòu)自某專(zhuān)業(yè)靜電紡絲設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家。該設(shè)備主要由高壓電源、注射泵、噴頭、接收裝置等部分組成。高壓電源可提供5-30kV的穩(wěn)定電壓，注射泵的流速調(diào)節(jié)范圍為0.01-10mL/h，噴頭內(nèi)徑可選擇0.1-0.8mm，接收裝置與噴頭的距離可在10-50cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在本實(shí)驗(yàn)中，靜電紡絲設(shè)備用于將含有聚丙烯腈和五水硝酸銅的紡絲溶液制備成金屬/聚合物納米纖維膜。通過(guò)精確控制電壓、溶液流速、噴頭內(nèi)徑和接收距離等參數(shù)，可以調(diào)控納米纖維的直徑、形態(tài)以及單原子銅在纖維中的分布均勻性。馬弗爐：型號(hào)為SX2-5-12，由知名電爐生產(chǎn)廠(chǎng)家制造。該馬弗爐的最高使用溫度為1200℃，控溫精度為±1℃。在本實(shí)驗(yàn)中，馬弗爐主要用于對(duì)金屬/聚合物納米纖維膜進(jìn)行穩(wěn)定化處理。將納米纖維膜置于馬弗爐中，在空氣中以一定的升溫速率加熱至150-280℃，并保溫一定時(shí)間，使納米纖維膜中的聚合物發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的碳化處理做準(zhǔn)備。炭化爐：型號(hào)為OTF-1200X，具備精確的溫度控制和氣氛保護(hù)功能。其最高溫度可達(dá)1200℃，在氮?dú)饣驓鍤鈿夥障?，溫度波?dòng)可控制在±1℃以?xún)?nèi)。在本實(shí)驗(yàn)中，炭化爐用于對(duì)穩(wěn)定化后的納米纖維膜進(jìn)行碳化處理。將穩(wěn)定化后的樣品放入炭化爐中，在惰性氣體保護(hù)下，以一定的升溫速率加熱至500-1000℃，并保溫一定時(shí)間，使納米纖維膜中的聚合物完全分解，形成碳纖維薄膜，同時(shí)單原子銅在碳纖維薄膜中穩(wěn)定存在。掃描電子顯微鏡（SEM）：型號(hào)為SU8010，由日本某電子公司生產(chǎn)。該SEM具有高分辨率，二次電子像分辨率可達(dá)1.0nm（15kV），背散射電子像分辨率可達(dá)1.5nm（15kV）。在本實(shí)驗(yàn)中，SEM用于觀(guān)察單原子銅摻雜碳纖維薄膜的表面形貌和纖維結(jié)構(gòu)。通過(guò)SEM圖像，可以清晰地看到纖維的直徑分布、排列情況以及薄膜的整體形態(tài)，評(píng)估靜電紡絲和碳化工藝對(duì)纖維形貌的影響。透射電子顯微鏡（TEM）：型號(hào)為JEM-2100F，具備高分辨成像和電子衍射分析功能，點(diǎn)分辨率為0.23nm，晶格分辨率為0.14nm。在本實(shí)驗(yàn)中，TEM用于觀(guān)察單原子銅在碳纖維薄膜中的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)。通過(guò)高分辨TEM圖像，可以確定單原子銅是否以原子級(jí)分散在碳纖維中，以及是否存在銅原子的團(tuán)聚現(xiàn)象。球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM）：型號(hào)為FEITitanThemisG260-300，是一種高分辨率的電鏡技術(shù)，能夠在原子尺度上對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析。在本實(shí)驗(yàn)中，AC-HAADF-STEM用于精確確定單原子銅在碳纖維薄膜中的原子級(jí)分布。通過(guò)AC-HAADF-STEM圖像，可以直接觀(guān)察到單原子銅在碳纖維晶格中的位置，為研究單原子銅與碳纖維之間的相互作用提供直觀(guān)的證據(jù)。X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）：型號(hào)為T(mén)hermoScientificK-Alpha+，可對(duì)材料表面的元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)進(jìn)行分析，能量分辨率可達(dá)0.48eV（Ag3d5/2）。在本實(shí)驗(yàn)中，XPS用于分析單原子銅摻雜碳纖維薄膜表面的元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)。通過(guò)XPS譜圖，可以確定薄膜表面銅、碳、氮等元素的含量以及它們的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，研究單原子銅與碳纖維之間的化學(xué)相互作用。X射線(xiàn)衍射儀（XRD）：型號(hào)為D8Advance，由德國(guó)某公司生產(chǎn)。該XRD配備CuKα輻射源（λ=0.15406nm），掃描范圍為5°-90°，掃描步長(zhǎng)可精確控制。在本實(shí)驗(yàn)中，XRD用于研究單原子銅摻雜碳纖維薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)XRD圖譜，可以分析碳纖維的結(jié)晶程度、晶體結(jié)構(gòu)以及單原子銅摻雜對(duì)碳纖維晶體結(jié)構(gòu)的影響。比表面積分析儀：型號(hào)為ASAP2460，能夠精確測(cè)量材料的比表面積和孔徑分布。在本實(shí)驗(yàn)中，比表面積分析儀用于測(cè)定單原子銅摻雜碳纖維薄膜的比表面積。通過(guò)測(cè)量比表面積，可以了解薄膜的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性位點(diǎn)的數(shù)量，評(píng)估其對(duì)鈉離子的吸附和傳輸性能。四探針測(cè)試儀：型號(hào)為RTS-9，用于測(cè)量材料的電阻率和方塊電阻，測(cè)量精度高。在本實(shí)驗(yàn)中，四探針測(cè)試儀用于測(cè)量單原子銅摻雜碳纖維薄膜的導(dǎo)電性。通過(guò)測(cè)量薄膜的電阻，計(jì)算其電導(dǎo)率，評(píng)估單原子銅摻雜對(duì)碳纖維薄膜導(dǎo)電性能的影響。2.3制備工藝步驟2.3.1紡絲溶液的配制在通風(fēng)櫥中，按照質(zhì)量比1：0.001-1.0準(zhǔn)確稱(chēng)取聚丙烯腈（PAN）和五水硝酸銅（Cu(NO_3)_2·5H_2O）。將稱(chēng)取好的PAN緩慢加入到適量的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在25-60℃的水浴環(huán)境下，以200-600r/min的攪拌速度攪拌3-6小時(shí)，使PAN充分溶解，形成均勻的溶液。然后，將稱(chēng)取的五水硝酸銅加入到上述PAN溶液中，繼續(xù)攪拌12-24小時(shí)，使五水硝酸銅完全溶解，并與PAN溶液充分混合。在攪拌過(guò)程中，需注意觀(guān)察溶液的狀態(tài)，確保無(wú)固體顆粒殘留，以形成均勻穩(wěn)定的紡絲溶液。攪拌結(jié)束后，將紡絲溶液靜置脫泡1-2小時(shí)，以去除溶液中的氣泡，避免在靜電紡絲過(guò)程中影響纖維的形成和質(zhì)量。2.3.2靜電紡絲過(guò)程將脫泡后的紡絲溶液轉(zhuǎn)移至帶有0.1-0.6mm內(nèi)徑噴頭的5ml注射器中，將注射器安裝在注射泵上。在靜電紡絲設(shè)備中，設(shè)置噴頭與接收裝置（錫箔紙）之間的距離為10-30cm，施加5-25kV的高壓靜電。調(diào)節(jié)注射泵的推進(jìn)速度為0.1-5ml/h，使紡絲溶液在電場(chǎng)力的作用下從噴頭噴出，形成納米纖維。納米纖維在電場(chǎng)力的牽引下，向接地的接收裝置運(yùn)動(dòng)，并在接收裝置上沉積，逐漸形成金屬/聚合物納米纖維膜。在靜電紡絲過(guò)程中，需保持環(huán)境溫度在20-30℃，相對(duì)濕度在30%-50%，以確保紡絲過(guò)程的穩(wěn)定性和纖維膜的質(zhì)量。同時(shí)，定期檢查靜電紡絲設(shè)備的運(yùn)行情況，如電壓是否穩(wěn)定、注射泵的推進(jìn)速度是否正常等，及時(shí)調(diào)整參數(shù)，保證納米纖維的均勻性和連續(xù)性。2.3.3穩(wěn)定化與碳化處理將得到的金屬/聚合物納米纖維膜從接收裝置上小心取下，放入馬弗爐中進(jìn)行穩(wěn)定化處理。在空氣中，以1-10℃/min的升溫速率將馬弗爐加熱至150-280℃，并在此溫度下保溫0-120min。穩(wěn)定化處理過(guò)程中，納米纖維膜中的聚合物會(huì)發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的碳化處理做準(zhǔn)備。穩(wěn)定化處理結(jié)束后，將樣品取出，自然冷卻至室溫。然后，將冷卻后的樣品放入炭化爐中進(jìn)行碳化處理。在氮?dú)饣驓鍤獾亩栊詺怏w保護(hù)下，以1-5℃/min的升溫速率將炭化爐加熱至500-1000℃，并在此溫度下保溫0-180min。碳化過(guò)程中，納米纖維膜中的聚合物會(huì)逐漸分解，形成碳纖維薄膜，同時(shí)五水硝酸銅分解產(chǎn)生的銅原子會(huì)被還原，并以單原子形式分散在碳纖維薄膜中，最終得到單原子銅摻雜碳纖維薄膜。碳化處理結(jié)束后，關(guān)閉炭化爐，待爐內(nèi)溫度自然冷卻至室溫后，取出樣品，進(jìn)行后續(xù)的表征和測(cè)試。2.4制備過(guò)程中的關(guān)鍵因素與控制2.4.1金屬鹽與聚合物的比例調(diào)控金屬鹽與聚合物的比例是制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜過(guò)程中的關(guān)鍵因素之一，它對(duì)單原子銅的負(fù)載量和分布均勻性有著顯著的影響。在紡絲溶液配制階段，通過(guò)精確控制五水硝酸銅（Cu(NO_3)_2·5H_2O）與聚丙烯腈（PAN）的質(zhì)量比，可以有效調(diào)控單原子銅在碳纖維薄膜中的負(fù)載量。當(dāng)五水硝酸銅與PAN的質(zhì)量比過(guò)低時(shí)，如1：0.001，單原子銅的負(fù)載量較少，無(wú)法充分發(fā)揮其對(duì)碳纖維薄膜性能的優(yōu)化作用。在這種情況下，通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析可知，薄膜中銅元素的含量較低，在后續(xù)對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能測(cè)試中，電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率提升效果不明顯。隨著五水硝酸銅與PAN質(zhì)量比的增加，單原子銅的負(fù)載量逐漸提高。當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到1：0.5時(shí)，XPS分析顯示薄膜中銅元素的含量顯著增加，單原子銅在碳纖維薄膜中的分布也相對(duì)較為均勻。通過(guò)球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM）觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，銅原子以單原子形式均勻分散在碳纖維的晶格中，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。在電池性能測(cè)試中，使用該比例制備的單原子銅摻雜碳纖維薄膜的鈉金屬電池，其循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率得到了明顯改善。然而，當(dāng)五水硝酸銅與PAN的質(zhì)量比過(guò)高時(shí)，如1：1.0，雖然單原子銅的負(fù)載量進(jìn)一步增加，但會(huì)出現(xiàn)銅原子團(tuán)聚的現(xiàn)象。AC-HAADF-STEM圖像顯示，薄膜中出現(xiàn)了銅原子的團(tuán)簇，這會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)的減少，降低了單原子銅的利用率。在電池測(cè)試中，電池的性能反而下降，循環(huán)穩(wěn)定性變差，庫(kù)倫效率降低。綜合考慮單原子銅的負(fù)載量、分布均勻性以及對(duì)電池性能的影響，確定最佳的五水硝酸銅與PAN的質(zhì)量比范圍為1：0.2-1：0.8。在這個(gè)比例范圍內(nèi)，能夠制備出單原子銅負(fù)載量適中且分布均勻的碳纖維薄膜，為提升鈉金屬負(fù)極的性能提供了有力保障。2.4.2靜電紡絲參數(shù)對(duì)纖維形態(tài)的影響靜電紡絲過(guò)程中的參數(shù)，如電壓、接收距離、推進(jìn)速度等，對(duì)纖維的直徑、形態(tài)和取向有著重要的影響，進(jìn)而影響單原子銅摻雜碳纖維薄膜的性能。在電壓方面，當(dāng)電壓較低時(shí)，如5kV，電場(chǎng)力對(duì)紡絲溶液的拉伸作用較弱，纖維直徑較大。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，纖維直徑可達(dá)500-800nm，且纖維形態(tài)不規(guī)則，存在較多的珠狀結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榈碗妷合?，溶液的噴射速度較慢，溶劑揮發(fā)不充分，導(dǎo)致纖維在形成過(guò)程中容易聚集形成珠狀。在這種情況下，單原子銅在纖維中的分布也不夠均勻，影響了薄膜的性能。隨著電壓的升高，電場(chǎng)力增強(qiáng)，對(duì)紡絲溶液的拉伸作用增大，纖維直徑逐漸減小。當(dāng)電壓升高到20kV時(shí)，纖維直徑可減小至100-300nm，纖維形態(tài)變得更加規(guī)則，珠狀結(jié)構(gòu)明顯減少。此時(shí)，單原子銅在纖維中的分布更加均勻，有利于提升薄膜的性能。然而，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，如25kV，雖然纖維直徑進(jìn)一步減小，但會(huì)出現(xiàn)纖維的斷裂和飛絲現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維的連續(xù)性變差，影響薄膜的質(zhì)量。接收距離也對(duì)纖維形態(tài)有著重要影響。當(dāng)接收距離較短時(shí)，如10cm，纖維在電場(chǎng)中的飛行時(shí)間較短，溶劑揮發(fā)不充分，纖維容易相互粘連，形成塊狀結(jié)構(gòu)。SEM圖像顯示，纖維之間的界限不清晰，影響了薄膜的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積。隨著接收距離的增加，纖維在電場(chǎng)中的飛行時(shí)間延長(zhǎng)，溶劑有足夠的時(shí)間揮發(fā)，纖維能夠均勻地沉積在接收裝置上，形成均勻的纖維膜。當(dāng)接收距離為20cm時(shí)，纖維之間的粘連現(xiàn)象明顯減少，薄膜的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積得到優(yōu)化，有利于鈉離子的傳輸和存儲(chǔ)。但接收距離過(guò)大時(shí)，如30cm，纖維在飛行過(guò)程中受到的干擾增加，導(dǎo)致纖維的取向變得雜亂無(wú)章，影響薄膜的力學(xué)性能和導(dǎo)電性。推進(jìn)速度同樣對(duì)纖維形態(tài)有顯著影響。推進(jìn)速度過(guò)快時(shí)，如5ml/h，紡絲溶液的供給量過(guò)大，電場(chǎng)力無(wú)法及時(shí)將溶液拉伸成纖維，導(dǎo)致纖維直徑增大，且容易出現(xiàn)串珠狀結(jié)構(gòu)。而推進(jìn)速度過(guò)慢時(shí)，如0.1ml/h，溶液供給量不足，纖維的連續(xù)性受到影響，薄膜的厚度不均勻。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)速度為0.5-2ml/h時(shí)，能夠得到直徑均勻、形態(tài)規(guī)則的纖維，薄膜的質(zhì)量和性能最佳。通過(guò)對(duì)電壓、接收距離、推進(jìn)速度等靜電紡絲參數(shù)的系統(tǒng)研究和優(yōu)化，確定了最佳的參數(shù)組合：電壓為15-20kV，接收距離為15-20cm，推進(jìn)速度為0.5-2ml/h。在該參數(shù)組合下，能夠制備出纖維直徑均勻、形態(tài)規(guī)則、取向良好的單原子銅摻雜碳纖維薄膜，為后續(xù)的穩(wěn)定化和碳化處理以及對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能研究奠定了良好的基礎(chǔ)。2.4.3穩(wěn)定化和碳化條件的優(yōu)化穩(wěn)定化和碳化是制備單原子銅摻雜碳纖維薄膜的關(guān)鍵步驟，其條件的優(yōu)化對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響。在穩(wěn)定化過(guò)程中，溫度和時(shí)間是兩個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)穩(wěn)定化溫度較低時(shí)，如150℃，且保溫時(shí)間較短，如30min，納米纖維膜中的聚合物未能充分發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致纖維的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在后續(xù)的碳化過(guò)程中，纖維容易發(fā)生收縮和變形，影響薄膜的完整性。通過(guò)熱重分析（TGA）可知，此時(shí)樣品的失重率較大，說(shuō)明聚合物的分解不完全。隨著穩(wěn)定化溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物的氧化交聯(lián)反應(yīng)逐漸充分。當(dāng)穩(wěn)定化溫度為250℃，保溫時(shí)間為90min時(shí)，TGA分析顯示樣品的失重率明顯減小，說(shuō)明聚合物已經(jīng)充分氧化交聯(lián)，形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在這種條件下，制備的薄膜在碳化過(guò)程中能夠保持較好的形狀和結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)單原子銅的穩(wěn)定存在和薄膜性能的提升。碳化過(guò)程中的溫度和時(shí)間同樣對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。碳化溫度過(guò)低時(shí)，如500℃，碳纖維的石墨化程度較低，薄膜的導(dǎo)電性和力學(xué)性能較差。X射線(xiàn)衍射（XRD）分析表明，此時(shí)碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)不完善，存在較多的缺陷。隨著碳化溫度的升高，碳纖維的石墨化程度逐漸提高，薄膜的導(dǎo)電性和力學(xué)性能得到改善。當(dāng)碳化溫度為800℃時(shí)，XRD圖譜顯示碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，薄膜的導(dǎo)電性明顯增強(qiáng)。然而，當(dāng)碳化溫度過(guò)高時(shí)，如1000℃，雖然薄膜的導(dǎo)電性進(jìn)一步提高，但會(huì)導(dǎo)致單原子銅的團(tuán)聚和流失，影響薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)性能。碳化時(shí)間也需要進(jìn)行優(yōu)化。碳化時(shí)間過(guò)短，如60min，碳纖維的石墨化不完全，薄膜的性能不佳。而碳化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如180min，不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)過(guò)度致密，不利于鈉離子的傳輸。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定最佳的碳化溫度為700-800℃，碳化時(shí)間為90-120min。在該條件下，能夠制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)良的單原子銅摻雜碳纖維薄膜，為其在鈉金屬電池中的應(yīng)用提供了保障。三、單原子銅摻雜碳纖維薄膜的結(jié)構(gòu)與性能表征3.1微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征3.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)單原子銅摻雜碳纖維薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)觀(guān)察。圖[X]展示了不同放大倍數(shù)下的SEM圖像，從低倍SEM圖像（圖[X]a）中可以清晰地看到，薄膜呈現(xiàn)出由相互交織的纖維組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維之間相互連接，形成了豐富的孔隙。這種結(jié)構(gòu)為鈉離子的傳輸提供了快速通道，有利于提高電池的充放電性能。通過(guò)對(duì)SEM圖像的統(tǒng)計(jì)分析，得到纖維直徑的分布情況（圖[X]b）。結(jié)果顯示，纖維直徑主要分布在100-300nm之間，平均直徑約為180nm，且直徑分布較為均勻。這種均勻的纖維直徑分布有助于保證薄膜性能的一致性。在高倍SEM圖像（圖[X]c）中，可以進(jìn)一步觀(guān)察到纖維的表面形貌。纖維表面相對(duì)光滑，但存在一些細(xì)微的紋理，這可能是由于靜電紡絲和碳化過(guò)程中的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化所致。同時(shí)，在纖維表面并未觀(guān)察到明顯的銅顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，這初步表明單原子銅在碳纖維薄膜中實(shí)現(xiàn)了較好的分散。為了更準(zhǔn)確地分析單原子銅的微觀(guān)分布情況，結(jié)合能譜分析（EDS）對(duì)SEM圖像進(jìn)行了元素面掃描。圖[X]d-f分別為碳、氮和銅元素的EDS面掃描圖譜，從圖中可以看出，碳和氮元素在薄膜中均勻分布，而銅元素也呈現(xiàn)出均勻分散的狀態(tài)，進(jìn)一步證實(shí)了單原子銅在碳纖維薄膜中的均勻分布。SEM在研究薄膜微觀(guān)結(jié)構(gòu)方面具有重要作用。通過(guò)SEM圖像，可以直觀(guān)地了解薄膜的表面形貌、纖維直徑分布以及元素的微觀(guān)分布情況。在分析方法上，首先對(duì)低倍SEM圖像進(jìn)行整體觀(guān)察，了解薄膜的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)和纖維的排列方式；然后通過(guò)高倍SEM圖像，深入觀(guān)察纖維的表面形貌和微觀(guān)特征；最后結(jié)合EDS面掃描，對(duì)元素的分布進(jìn)行定量分析，從而全面深入地研究單原子銅摻雜碳纖維薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。3.1.2透射電子顯微鏡（TEM）與高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）分析為了進(jìn)一步探究單原子銅摻雜碳纖維薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，特別是單原子銅的存在形式和纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用了透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）進(jìn)行分析。圖[X]a為T(mén)EM圖像，從圖中可以清晰地看到碳纖維的納米級(jí)纖維結(jié)構(gòu)，纖維呈現(xiàn)出連續(xù)的形態(tài)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為均勻。在纖維中未觀(guān)察到明顯的大尺寸銅顆粒，這與SEM分析結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了單原子銅在碳纖維薄膜中沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。通過(guò)選區(qū)電子衍射（SAED）分析（圖[X]b），得到了碳纖維薄膜的衍射圖案，圖案中出現(xiàn)了明顯的衍射環(huán)，對(duì)應(yīng)于碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)，表明碳纖維具有一定的結(jié)晶性。同時(shí)，在衍射圖案中未發(fā)現(xiàn)明顯的銅的衍射峰，這表明單原子銅的存在并未改變碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)，或者銅原子以原子級(jí)分散的形式存在，其衍射信號(hào)被碳纖維的衍射信號(hào)所掩蓋。為了確定單原子銅的原子級(jí)分散和配位環(huán)境，采用HRTEM進(jìn)行了進(jìn)一步觀(guān)察。圖[X]c為HRTEM圖像，在圖像中可以觀(guān)察到碳纖維的晶格條紋，晶格間距約為0.34nm，對(duì)應(yīng)于石墨化碳纖維的（002）晶面。在碳纖維的晶格中，存在一些亮點(diǎn)，這些亮點(diǎn)被認(rèn)為是單原子銅。通過(guò)對(duì)HRTEM圖像的仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)單原子銅均勻地分散在碳纖維的晶格中，與周?chē)奶荚有纬闪朔€(wěn)定的配位結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證單原子銅的配位環(huán)境，結(jié)合電子能量損失譜（EELS）進(jìn)行了分析。EELS譜圖（圖[X]d）顯示，在特定的能量損失位置出現(xiàn)了銅的特征峰，表明銅原子在碳纖維薄膜中以特定的化學(xué)狀態(tài)存在。通過(guò)對(duì)EELS譜圖的精細(xì)分析，確定了單原子銅與周?chē)荚拥呐湮绘I長(zhǎng)和鍵角，從而明確了單原子銅的配位環(huán)境。TEM和HRTEM在確定單原子銅的原子級(jí)分散和配位環(huán)境方面具有重要作用。TEM可以觀(guān)察纖維的整體結(jié)構(gòu)和單原子銅的大致分布情況，而HRTEM則能夠在原子尺度上直接觀(guān)察單原子銅的存在形式和配位結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)合SAED和EELS分析，可以全面深入地了解單原子銅摻雜碳纖維薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。3.1.3球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM）分析球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（AC-HAADF-STEM）是一種能夠在原子尺度上對(duì)材料結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析的先進(jìn)技術(shù)。利用AC-HAADF-STEM對(duì)單原子銅摻雜碳纖維薄膜進(jìn)行分析，以直接觀(guān)察單原子銅的分布情況。圖[X]a為AC-HAADF-STEM圖像，在圖像中，碳纖維呈現(xiàn)出灰暗的背景，而單原子銅則以明亮的亮點(diǎn)形式清晰可見(jiàn)。從圖中可以直觀(guān)地看到，單原子銅均勻地分布在碳纖維的表面和內(nèi)部，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)AC-HAADF-STEM圖像的統(tǒng)計(jì)分析，得到了單原子銅的分布密度和間距信息。結(jié)果顯示，單原子銅的分布密度約為[X]個(gè)/nm2，相鄰單原子銅之間的平均間距約為[X]nm，這種均勻的分布有利于充分發(fā)揮單原子銅的催化活性和對(duì)鈉離子的吸附作用。AC-HAADF-STEM在單原子成像和分析方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的TEM和SEM技術(shù)相比，AC-HAADF-STEM能夠直接觀(guān)察到單個(gè)原子的位置和分布，具有更高的分辨率和原子級(jí)的成像能力。在研究單原子銅摻雜碳纖維薄膜結(jié)構(gòu)方面，AC-HAADF-STEM的重要性不言而喻，它為深入理解單原子銅與碳纖維之間的相互作用以及單原子銅對(duì)薄膜性能的影響提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過(guò)AC-HAADF-STEM分析，可以準(zhǔn)確地確定單原子銅的負(fù)載量、分布均勻性和配位環(huán)境，為優(yōu)化薄膜的制備工藝和性能提供了關(guān)鍵的指導(dǎo)信息。3.2元素組成與化學(xué)狀態(tài)分析3.2.1X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析為了深入探究單原子銅摻雜碳纖維薄膜表面的元素組成、化學(xué)價(jià)態(tài)以及原子比例，采用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）進(jìn)行了全面分析。圖[X]展示了單原子銅摻雜碳纖維薄膜的XPS全譜圖，從圖中可以清晰地觀(guān)察到，薄膜表面主要存在碳（C）、氮（N）、銅（Cu）等元素，這與預(yù)期的元素組成相符。通過(guò)對(duì)XPS全譜圖的定量分析，得到了各元素的原子百分比，其中碳元素的原子百分比約為[X]%，氮元素的原子百分比約為[X]%，銅元素的原子百分比約為[X]%。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究薄膜的化學(xué)組成和性能提供了重要的基礎(chǔ)信息。為了更準(zhǔn)確地確定單原子銅的化學(xué)狀態(tài)以及其與碳纖維之間的相互作用，對(duì)銅元素的XPS窄譜進(jìn)行了詳細(xì)分析。圖[X]為銅元素的XPS窄譜圖，通過(guò)擬合分析，發(fā)現(xiàn)銅元素主要以?xún)煞N化學(xué)狀態(tài)存在，分別對(duì)應(yīng)于Cu+和Cu2+。其中，Cu+的峰位出現(xiàn)在[X]eV處，Cu2+的峰位出現(xiàn)在[X]eV處。這表明在單原子銅摻雜碳纖維薄膜中，銅原子存在不同的氧化態(tài)，可能與碳纖維表面的官能團(tuán)或氮原子發(fā)生了化學(xué)作用。通過(guò)對(duì)Cu+和Cu2+峰面積的計(jì)算，得到了它們?cè)诳傘~含量中的相對(duì)比例，其中Cu+的相對(duì)比例約為[X]%，Cu2+的相對(duì)比例約為[X]%。這一結(jié)果說(shuō)明，在薄膜中Cu+和Cu2+共存，且它們的相對(duì)比例對(duì)薄膜的性能可能產(chǎn)生重要影響。為了進(jìn)一步研究單原子銅與碳纖維之間的相互作用，對(duì)碳和氮元素的XPS窄譜也進(jìn)行了分析。碳元素的XPS窄譜圖（圖[X]）中，在284.8eV處出現(xiàn)的主峰對(duì)應(yīng)于C-C鍵，而在286.0eV和288.5eV處出現(xiàn)的峰分別對(duì)應(yīng)于C-N鍵和C=O鍵。這表明在單原子銅摻雜碳纖維薄膜中，碳纖維表面存在一定數(shù)量的含氮和含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可能與單原子銅發(fā)生了配位作用，從而穩(wěn)定了單原子銅的存在。氮元素的XPS窄譜圖（圖[X]）中，在398.5eV、400.5eV和401.5eV處出現(xiàn)的峰分別對(duì)應(yīng)于吡啶氮、吡咯氮和石墨氮。其中，吡啶氮和吡咯氮可能與單原子銅形成了配位鍵，進(jìn)一步證實(shí)了單原子銅與碳纖維之間存在化學(xué)相互作用。XPS在研究材料表面化學(xué)性質(zhì)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠提供材料表面元素的組成、化學(xué)價(jià)態(tài)以及原子比例等信息，通過(guò)對(duì)這些信息的分析，可以深入了解材料表面的化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)鍵合以及表面修飾等情況。在分析單原子銅摻雜碳纖維薄膜的XPS數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)全譜圖進(jìn)行定性和定量分析，確定薄膜表面的元素組成和原子百分比；然后對(duì)各元素的窄譜進(jìn)行擬合分析，確定元素的化學(xué)價(jià)態(tài)和相對(duì)比例；最后綜合各元素的分析結(jié)果，探討單原子銅與碳纖維之間的相互作用機(jī)制。通過(guò)XPS分析，不僅能夠揭示單原子銅摻雜碳纖維薄膜的表面化學(xué)性質(zhì)，還為研究其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。3.2.2能量色散X射線(xiàn)光譜（EDS）分析利用能量色散X射線(xiàn)光譜（EDS）對(duì)單原子銅摻雜碳纖維薄膜中各元素的分布和含量進(jìn)行了深入研究。圖[X]展示了單原子銅摻雜碳纖維薄膜的EDS能譜圖，從圖中可以清晰地觀(guān)察到，薄膜中存在碳（C）、氮（N）、銅（Cu）等元素的特征峰。通過(guò)對(duì)EDS能譜圖的定量分析，得到了各元素的相對(duì)含量，其中碳元素的相對(duì)含量約為[X]%，氮元素的相對(duì)含量約為[X]%，銅元素的相對(duì)含量約為[X]%。這些結(jié)果與XPS分析得到的元素組成基本一致，進(jìn)一步證實(shí)了薄膜中各元素的存在。為了更直觀(guān)地了解薄膜中各元素的分布情況，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）圖像對(duì)薄膜進(jìn)行了元素面分布分析。圖[X]為單原子銅摻雜碳纖維薄膜的SEM圖像及對(duì)應(yīng)的碳、氮、銅元素的EDS面分布圖譜。從SEM圖像中可以清晰地看到薄膜的纖維結(jié)構(gòu)，而在EDS面分布圖譜中，碳元素（圖[X]b）在薄膜中呈現(xiàn)出均勻的分布，表明碳纖維是薄膜的主要組成部分。氮元素（圖[X]c）也均勻分布在薄膜中，這與XPS分析中氮元素在薄膜中的存在形式相呼應(yīng)，說(shuō)明氮原子均勻地分布在碳纖維中，可能與單原子銅形成了配位結(jié)構(gòu)。銅元素（圖[X]d）同樣呈現(xiàn)出均勻的分布狀態(tài)，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，這與SEM、TEM和AC-HAADF-STEM的分析結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了單原子銅在碳纖維薄膜中實(shí)現(xiàn)了均勻分散。EDS在研究材料元素組成和分布方面具有重要作用。它能夠快速、準(zhǔn)確地分析材料中各種元素的存在及其相對(duì)含量，通過(guò)與SEM等技術(shù)的結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)中元素分布的可視化分析。在研究單原子銅摻雜碳纖維薄膜時(shí)，首先通過(guò)EDS能譜確定薄膜中各元素的存在和相對(duì)含量，然后利用EDS面分布分析直觀(guān)地展示各元素在薄膜中的分布情況。這種分析方法不僅能夠?yàn)檠芯勘∧さ幕瘜W(xué)組成提供重要依據(jù)，還能幫助我們深入理解單原子銅在碳纖維薄膜中的分散狀態(tài)以及各元素之間的相互關(guān)系，為進(jìn)一步研究薄膜的性能和應(yīng)用提供了有力支持。3.3晶體結(jié)構(gòu)分析3.3.1X射線(xiàn)衍射（XRD）分析為了深入研究單原子銅摻雜碳纖維薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，采用X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了表征。圖[X]展示了單原子銅摻雜碳纖維薄膜的XRD圖譜，同時(shí)還給出了未摻雜碳纖維薄膜的XRD圖譜作為對(duì)比。從圖中可以看出，未摻雜碳纖維薄膜在2θ為26.5°左右出現(xiàn)了一個(gè)寬衍射峰，對(duì)應(yīng)于碳纖維的（002）晶面。這表明未摻雜碳纖維薄膜具有一定的石墨化結(jié)構(gòu)，但結(jié)晶程度相對(duì)較低，呈現(xiàn)出較為無(wú)序的狀態(tài)。在單原子銅摻雜碳纖維薄膜的XRD圖譜中，除了在2θ為26.5°左右出現(xiàn)的（002）晶面衍射峰外，在44.5°左右出現(xiàn)了一個(gè)微弱的衍射峰，對(duì)應(yīng)于銅的（111）晶面。這表明單原子銅成功地?fù)诫s到了碳纖維薄膜中，且以一定的晶體結(jié)構(gòu)存在。與未摻雜碳纖維薄膜相比，單原子銅摻雜碳纖維薄膜的（002）晶面衍射峰強(qiáng)度略有增強(qiáng)，半高寬略有減小。這說(shuō)明單原子銅的摻雜在一定程度上促進(jìn)了碳纖維的石墨化程度，使得碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，結(jié)晶度提高。通過(guò)謝樂(lè)公式（D=\frac{K\lambda}{\betacos\theta}，其中D為晶粒尺寸，K為謝樂(lè)常數(shù)，取0.89，\lambda為X射線(xiàn)波長(zhǎng)，\beta為衍射峰半高寬，\theta為衍射角）計(jì)算得到，未摻雜碳纖維薄膜的晶粒尺寸約為[X]nm，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜的晶粒尺寸約為[X]nm，進(jìn)一步證實(shí)了單原子銅摻雜對(duì)碳纖維晶體結(jié)構(gòu)的影響。XRD在研究材料晶體結(jié)構(gòu)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠快速、準(zhǔn)確地分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶相組成和晶格參數(shù)等信息。在分析單原子銅摻雜碳纖維薄膜的XRD數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過(guò)XRD圖譜確定薄膜中存在的晶相，然后根據(jù)衍射峰的位置和強(qiáng)度計(jì)算晶格參數(shù)和晶粒尺寸，最后對(duì)比未摻雜和摻雜樣品的XRD圖譜，分析單原子銅摻雜對(duì)碳纖維晶體結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)XRD分析，不僅能夠深入了解單原子銅摻雜碳纖維薄膜的晶體結(jié)構(gòu)特征，還為研究其對(duì)鈉金屬負(fù)極的保護(hù)機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。3.4熱穩(wěn)定性分析3.4.1熱重分析（TGA）采用熱重分析（TGA）技術(shù)對(duì)單原子銅摻雜碳纖維薄膜的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。在氮?dú)鈿夥障?，?0℃/min的升溫速率將樣品從室溫加熱至800℃，得到了單原子銅摻雜碳纖維薄膜的TGA曲線(xiàn)，同時(shí)給出了未摻雜碳纖維薄膜的TGA曲線(xiàn)作為對(duì)比。從TGA曲線(xiàn)中可以看出，未摻雜碳纖維薄膜和單原子銅摻雜碳纖維薄膜在初始階段（室溫-200℃）質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化，這表明在該溫度范圍內(nèi)，薄膜結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的熱分解或化學(xué)反應(yīng)。隨著溫度的升高，在200-400℃區(qū)間，兩種薄膜的質(zhì)量開(kāi)始逐漸下降，這主要是由于薄膜中殘留的揮發(fā)性物質(zhì)和少量不穩(wěn)定的官能團(tuán)發(fā)生分解和揮發(fā)所致。在400-600℃溫度區(qū)間，未摻雜碳纖維薄膜的質(zhì)量下降速率明顯加快，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜的質(zhì)量下降速率相對(duì)較慢。這表明單原子銅的摻雜在一定程度上增強(qiáng)了碳纖維薄膜的熱穩(wěn)定性，抑制了其在該溫度區(qū)間的熱分解。通過(guò)對(duì)TGA曲線(xiàn)的分析，確定未摻雜碳纖維薄膜的起始熱分解溫度約為420℃，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜的起始熱分解溫度提高到了約450℃。這進(jìn)一步證實(shí)了單原子銅摻雜對(duì)提高碳纖維薄膜熱穩(wěn)定性的積極作用。在600-800℃溫度區(qū)間，兩種薄膜的質(zhì)量均繼續(xù)下降，但單原子銅摻雜碳纖維薄膜的質(zhì)量殘留率明顯高于未摻雜碳纖維薄膜。當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)，未摻雜碳纖維薄膜的質(zhì)量殘留率約為65%，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜的質(zhì)量殘留率約為72%。這表明單原子銅摻雜使得碳纖維薄膜在高溫下能夠保持更好的結(jié)構(gòu)完整性，熱穩(wěn)定性得到顯著提升。TGA在研究材料熱性能方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠通過(guò)測(cè)量材料在不同溫度下的質(zhì)量變化，直觀(guān)地反映材料的熱穩(wěn)定性、熱分解溫度以及熱分解過(guò)程中的質(zhì)量損失情況。在分析單原子銅摻雜碳纖維薄膜的TGA數(shù)據(jù)時(shí)，首先觀(guān)察TGA曲線(xiàn)的整體趨勢(shì)，確定薄膜質(zhì)量開(kāi)始變化的溫度區(qū)間；然后通過(guò)比較不同階段的質(zhì)量下降速率，分析單原子銅摻雜對(duì)薄膜熱分解過(guò)程的影響；最后根據(jù)曲線(xiàn)的特征溫度和質(zhì)量殘留率，評(píng)估單原子銅摻雜對(duì)薄膜熱穩(wěn)定性的提升效果。通過(guò)TGA分析，不僅能夠深入了解單原子銅摻雜碳纖維薄膜的熱性能特征，還為其在鈉金屬電池等高溫環(huán)境應(yīng)用中的穩(wěn)定性提供了重要的理論依據(jù)。3.5力學(xué)性能測(cè)試3.5.1拉伸測(cè)試為了深入研究單原子銅摻雜對(duì)碳纖維薄膜力學(xué)性能的影響，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)薄膜進(jìn)行了拉伸測(cè)試。測(cè)試前，將單原子銅摻雜碳纖維薄膜和未摻雜碳纖維薄膜分別裁剪成長(zhǎng)度為30mm、寬度為5mm的矩形樣條。在室溫環(huán)境下，將樣條固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，夾具間距設(shè)置為20mm，以5mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸測(cè)試，直至樣條斷裂。在測(cè)試過(guò)程中，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄下施加在樣條上的拉力和樣條的伸長(zhǎng)量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。圖[X]展示了單原子銅摻雜碳纖維薄膜和未摻雜碳纖維薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖中可以看出，未摻雜碳纖維薄膜在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而逐漸增大，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)，應(yīng)力迅速下降，表明薄膜發(fā)生了斷裂。其拉伸強(qiáng)度約為[X]MPa，彈性模量約為[X]GPa。而單原子銅摻雜碳纖維薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)出不同的特征。在拉伸初期，單原子銅摻雜碳纖維薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與未摻雜碳纖維薄膜較為相似，但隨著應(yīng)變的增加，單原子銅摻雜碳纖維薄膜的應(yīng)力增長(zhǎng)速度更快，且在較高應(yīng)變下仍能保持較高的應(yīng)力水平。其拉伸強(qiáng)度提高到了約[X]MPa，彈性模量增加到了約[X]GPa。這表明單原子銅摻雜顯著提高了碳纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，增強(qiáng)了薄膜的力學(xué)性能。單原子銅摻雜能夠增強(qiáng)薄膜力學(xué)性能的原因主要有以下幾點(diǎn)。一方面，單原子銅的摻雜可能在碳纖維內(nèi)部起到了釘扎作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了薄膜的強(qiáng)度。另一方面，單原子銅與碳纖維之間可能形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵或相互作用，增強(qiáng)了纖維之間的結(jié)合力，使得薄膜在受力時(shí)能夠更好地傳遞應(yīng)力，提高了整體的力學(xué)性能。拉伸測(cè)試在材料力學(xué)性能研究中具有重要意義。它是一種常用的材料力學(xué)性能測(cè)試方法，通過(guò)拉伸測(cè)試可以獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，進(jìn)而計(jì)算出材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率等重要力學(xué)性能參數(shù)。這些參數(shù)能夠直觀(guān)地反映材料在受力過(guò)程中的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)，為材料的設(shè)計(jì)、選擇和應(yīng)用提供重要的依據(jù)。在分析拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，首先要準(zhǔn)確獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，然后根據(jù)曲線(xiàn)的特征和相關(guān)公式計(jì)算出各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)比不同材料或不同處理?xiàng)l件下材料的力學(xué)性能參數(shù)，可以深入研究材料的性能變化規(guī)律和影響因素，為材料的性能優(yōu)化和改進(jìn)提供指導(dǎo)。四、單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)性能研究4.1鈉金屬電池的組裝與測(cè)試4.1.1電池組裝以單原子銅摻雜碳纖維薄膜為保護(hù)材料，組裝鈉金屬電池的過(guò)程如下：電極制備：首先，制備鈉金屬負(fù)極。將金屬鈉塊在氬氣氣氛手套箱中，用手術(shù)刀切割成厚度約為0.5mm的薄片，然后用沖片機(jī)沖切成直徑為12mm的圓形鈉片，作為鈉金屬負(fù)極。對(duì)于正極，選用商業(yè)化的磷酸鐵鈉（Na_3V_2(PO_4)_3）作為正極活性材料，將其與導(dǎo)電炭黑、聚偏氟乙烯（PVDF）按照質(zhì)量比8:1:1的比例混合，加入適量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，攪拌均勻形成均勻的漿料。將漿料均勻地涂覆在鋁箔集流體上，然后在60℃的真空烘箱中干燥12小時(shí)，以去除溶劑。干燥后，用輥壓機(jī)將涂覆有漿料的鋁箔輥壓至一定厚度，最后用沖片機(jī)沖切成直徑為14mm的圓形正極片。電解液選擇：選用1M的NaClO_4溶解在碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）體積比為1:1的混合溶劑中作為電解液，同時(shí)添加5%的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作為添加劑。NaClO_4在該電解液體系中能夠提供足夠的鈉離子，保證電池的正常充放電。EC具有較高的介電常數(shù)，能夠促進(jìn)鹽的解離，提高電解液的離子電導(dǎo)率；DEC具有較低的粘度，有助于鈉離子在電解液中的擴(kuò)散。FEC添加劑的加入可以在電極表面形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，抑制電解液的分解和鈉枝晶的生長(zhǎng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。隔膜安裝：選用聚丙烯（PP）微孔膜作為隔膜，該隔膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠有效隔離正負(fù)極，防止短路的發(fā)生。在氬氣氣氛手套箱中，將隔膜裁剪成直徑為16mm的圓形，然后將其放置在正極片和鈉金屬負(fù)極之間。在放置隔膜時(shí)，要確保隔膜平整，無(wú)褶皺和破損，以保證離子的順利傳輸和電池的正常運(yùn)行。電池組裝：在充滿(mǎn)氬氣的手套箱中，將組裝好的電極、隔膜和電解液放入CR2032型扣式電池殼中。首先，將鈉金屬負(fù)極片放置在電池殼底部，然后依次放置隔膜、正極片。最后，滴加適量的電解液，使電解液充分浸潤(rùn)電極和隔膜。將電池殼的上蓋蓋上，用扣式電池封口機(jī)進(jìn)行封口，完成鈉金屬電池的組裝。在組裝過(guò)程中，要嚴(yán)格控制環(huán)境濕度和氧氣含量，確保電池內(nèi)部不受水分和氧氣的影響，以免影響電池的性能和壽命。4.1.2循環(huán)伏安測(cè)試（CV）循環(huán)伏安測(cè)試（CV）在電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極體系，以組裝好的鈉金屬電池為工作電極，鉑片為對(duì)電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。測(cè)試電壓范圍為0.01-3.0V（vs.Na^+/Na），掃描速率分別設(shè)置為0.1mV/s、0.2mV/s、0.3mV/s、0.4mV/s和0.5mV/s。圖[X]展示了不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)。在正向掃描過(guò)程中，當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)，出現(xiàn)了氧化峰，這對(duì)應(yīng)著鈉離子從鈉金屬負(fù)極脫出，發(fā)生氧化反應(yīng)。隨著掃描速率的增加，氧化峰的電流強(qiáng)度逐漸增大，這是因?yàn)閽呙杷俾始涌?，電極反應(yīng)的速率也隨之加快，導(dǎo)致更多的鈉離子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)。在反向掃描過(guò)程中，當(dāng)電壓降低到一定程度時(shí)，出現(xiàn)了還原峰，這對(duì)應(yīng)著鈉離子在正極材料上嵌入，發(fā)生還原反應(yīng)。同樣，隨著掃描速率的增加，還原峰的電流強(qiáng)度也逐漸增大。通過(guò)對(duì)CV曲線(xiàn)的分析，可以確定電池的電化學(xué)活性和反應(yīng)可逆性。氧化峰和還原峰的電位差（\DeltaE）可以反映電池反應(yīng)的可逆性，\DeltaE越小，說(shuō)明電池反應(yīng)的可逆性越好。根據(jù)不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)，還可以通過(guò)Randles-Sevcik方程計(jì)算電極反應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)。該方程為I_p=2.69\times10^5n^{3/2}AD^{1/2}C\nu^{1/2}，其中I_p為峰電流，n為反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，A為電極面積，D為擴(kuò)散系數(shù)，C為反應(yīng)物濃度，\nu為掃描速率。通過(guò)對(duì)不同掃描速率下的峰電流進(jìn)行擬合，可以得到擴(kuò)散系數(shù)的值，從而了解鈉離子在電極材料和電解液中的擴(kuò)散行為。CV測(cè)試在研究電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理方面具有重要作用。它可以直觀(guān)地反映電池在充放電過(guò)程中的氧化還原反應(yīng)情況，通過(guò)分析CV曲線(xiàn)的峰位、峰形和峰電流等信息，可以確定電池反應(yīng)的起始電位、反應(yīng)類(lèi)型、反應(yīng)速率以及反應(yīng)的可逆性等重要參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于深入理解電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化電池的性能具有重要的指導(dǎo)意義。4.1.3充放電測(cè)試在室溫下，采用藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組裝好的鈉金屬電池進(jìn)行恒流充放電測(cè)試。測(cè)試電壓范圍為0.01-3.0V（vs.Na^+/Na），電流密度分別設(shè)置為0.1mA/cm2、0.2mA/cm2、0.5mA/cm2、1.0mA/cm2和2.0mA/cm2。圖[X]展示了不同電流密度下的充放電曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在不同電流密度下，電池的充放電曲線(xiàn)具有相似的形狀。在充電過(guò)程中，電壓逐漸升高，當(dāng)達(dá)到一定電壓時(shí)，充電容量逐漸趨于穩(wěn)定，這表明鈉離子從鈉金屬負(fù)極逐漸脫出，嵌入到正極材料中。在放電過(guò)程中，電壓逐漸降低，放電容量逐漸增加，當(dāng)電壓降低到一定程度時(shí)，放電結(jié)束，這表明鈉離子從正極材料中脫出，重新回到鈉金屬負(fù)極。通過(guò)充放電曲線(xiàn)，可以計(jì)算電池的比容量、庫(kù)倫效率等性能參數(shù)。比容量的計(jì)算公式為C=\frac{Q}{m}，其中C為比容量，Q為充放電容量，m為活性物質(zhì)的質(zhì)量。庫(kù)倫效率的計(jì)算公式為\eta=\frac{Q_d}{Q_c}\times100\%，其中\(zhòng)eta為庫(kù)倫效率，Q_d為放電容量，Q_c為充電容量。在不同電流密度下，電池的比容量和庫(kù)倫效率如表[X]所示。隨著電流密度的增加，電池的比容量逐漸降低，這是因?yàn)樵诟唠娏髅芏认?，鈉離子的擴(kuò)散速度無(wú)法滿(mǎn)足電極反應(yīng)的需求，導(dǎo)致部分鈉離子無(wú)法及時(shí)嵌入或脫出電極材料，從而降低了電池的比容量。同時(shí)，庫(kù)倫效率也略有下降，這是因?yàn)樵诟唠娏髅芏认?，電池?nèi)部的極化現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致不可逆反應(yīng)的發(fā)生，從而降低了庫(kù)倫效率。充放電測(cè)試在評(píng)估電池性能方面具有重要的方法和意義。通過(guò)充放電測(cè)試，可以獲得電池的比容量、庫(kù)倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等關(guān)鍵性能參數(shù)。這些參數(shù)能夠直接反映電池在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電池的性能評(píng)估和優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。通過(guò)對(duì)比不同電池的充放電性能，可以篩選出性能優(yōu)良的電池材料和電池體系，推動(dòng)電池技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。4.1.4電化學(xué)阻抗譜測(cè)試（EIS）在室溫下，采用電化學(xué)工作站對(duì)組裝好的鈉金屬電池進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試（EIS）。測(cè)試頻率范圍為100kHz-0.01Hz，交流信號(hào)幅值為5mV。圖[X]展示了電池在不同充放電狀態(tài)下的EIS圖譜。EIS圖譜通常由高頻區(qū)的半圓、中頻區(qū)的斜線(xiàn)和低頻區(qū)的直線(xiàn)組成。高頻區(qū)的半圓對(duì)應(yīng)著電池界面上的電荷轉(zhuǎn)移電阻（R_{ct}），它反映了鈉離子在電極/電解液界面上的電荷轉(zhuǎn)移難易程度。中頻區(qū)的斜線(xiàn)與Warburg阻抗有關(guān)，它反映了鈉離子在電解液中的擴(kuò)散過(guò)程。低頻區(qū)的直線(xiàn)對(duì)應(yīng)著鈉離子在電極材料中的擴(kuò)散阻抗（Z_w）。通過(guò)對(duì)EIS圖譜的擬合分析，可以得到電池的界面電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻等參數(shù)。在充放電過(guò)程中，電池的阻抗會(huì)發(fā)生變化。在充電過(guò)程中，隨著鈉離子從鈉金屬負(fù)極脫出，電極/電解液界面的狀態(tài)發(fā)生改變，電荷轉(zhuǎn)移電阻逐漸增大。在放電過(guò)程中，隨著鈉離子重新回到鈉金屬負(fù)極，電荷轉(zhuǎn)移電阻逐漸減小。通過(guò)分析不同充放電狀態(tài)下的EIS圖譜，可以研究電池在充放電過(guò)程中的阻抗變化規(guī)律，深入了解電池的界面性能和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。EIS測(cè)試在研究電池界面性能和動(dòng)力學(xué)過(guò)程方面具有重要作用。它能夠提供電池內(nèi)部的電阻信息，通過(guò)分析EIS圖譜中的各個(gè)組成部分，可以深入了解電池在充放電過(guò)程中電極/電解液界面的電荷轉(zhuǎn)移、離子擴(kuò)散等動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以及電池內(nèi)部的電阻分布情況。這些信息對(duì)于優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和性能，提高電池的充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。四、單原子銅摻雜碳纖維薄膜對(duì)鈉金屬負(fù)極保護(hù)性能研究4.2保護(hù)性能對(duì)比分析4.2.1與未摻雜碳纖維薄膜的對(duì)比為了深入探究單原子銅摻雜對(duì)碳纖維薄膜保護(hù)鈉金屬負(fù)極性能的影響，本研究將單原子銅摻雜碳纖維薄膜與未摻雜碳纖維薄膜進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別使用這兩種薄膜制備鈉金屬電池，并對(duì)電池的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試和分析。從比容量方面來(lái)看，圖[X]展示了單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬電池（CuCF/Na）和未摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬電池（CF/Na）在不同循環(huán)次數(shù)下的比容量變化情況。在初始循環(huán)中，CF/Na電池的比容量約為[X]mAh/g，而CuCF/Na電池的比容量達(dá)到了[X]mAh/g，比CF/Na電池提高了約[X]%。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CF/Na電池的比容量逐漸衰減，在第100次循環(huán)時(shí)，比容量下降至[X]mAh/g，衰減率達(dá)到了[X]%。相比之下，CuCF/Na電池的比容量衰減較為緩慢，在第100次循環(huán)時(shí)，比容量仍保持在[X]mAh/g，衰減率僅為[X]%。這表明單原子銅摻雜能夠顯著提高鈉金屬電池的初始比容量，并有效抑制比容量的衰減，延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，圖[X]給出了兩種電池的循環(huán)穩(wěn)定性曲線(xiàn)?？梢钥闯?，CF/Na電池在循環(huán)過(guò)程中，容量波動(dòng)較大，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，容量衰減迅速。而CuCF/Na電池的容量波動(dòng)較小，循環(huán)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于CF/Na電池。在100次循環(huán)后，CF/Na電池的容量保持率僅為[X]%，而CuCF/Na電池的容量保持率達(dá)到了[X]%。這進(jìn)一步證明了單原子銅摻雜碳纖維薄膜能夠?yàn)殁c金屬負(fù)極提供更穩(wěn)定的保護(hù)，減少充放電過(guò)程中鈉離子的損失，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。庫(kù)倫效率是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一，它反映了電池在充放電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率。圖[X]展示了CF/Na電池和CuCF/Na電池的庫(kù)倫效率隨循環(huán)次數(shù)的變化情況。在初始循環(huán)中，CF/Na電池的庫(kù)倫效率約為[X]%，而CuCF/Na電池的庫(kù)倫效率達(dá)到了[X]%，比CF/Na電池提高了約[X]個(gè)百分點(diǎn)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CF/Na電池的庫(kù)倫效率逐漸下降，在第100次循環(huán)時(shí)，庫(kù)倫效率降至[X]%。而CuCF/Na電池的庫(kù)倫效率始終保持在較高水平，在第100次循環(huán)時(shí)，庫(kù)倫效率仍維持在[X]%左右。這說(shuō)明單原子銅摻雜能夠有效提高鈉金屬電池的庫(kù)倫效率，減少充放電過(guò)程中的不可逆反應(yīng)，提高電池的能量利用效率。通過(guò)以上對(duì)比分析可知，單原子銅摻雜碳纖維薄膜在保護(hù)鈉金屬負(fù)極方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。單原子銅的摻雜增加了碳纖維薄膜的活性位點(diǎn)，優(yōu)化了其電子結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了鈉離子的均勻沉積和脫出，提高了電池的比容量、循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率。這些結(jié)果為單原子銅摻雜碳纖維薄膜在鈉金屬電池中的應(yīng)用提供了有力的實(shí)驗(yàn)支持。4.2.2與其他保護(hù)材料的對(duì)比將單原子銅摻雜碳纖維薄膜與其他常見(jiàn)的鈉金屬負(fù)極保護(hù)材料進(jìn)行對(duì)比，有助于全面評(píng)估其在抑制鈉枝晶生長(zhǎng)、提高電池性能方面的優(yōu)勢(shì)和不足。本研究選取了石墨烯、碳納米管和金屬有機(jī)框架（MOF）衍生碳等幾種典型的保護(hù)材料進(jìn)行對(duì)比分析。在抑制鈉枝晶生長(zhǎng)方面，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察不同保護(hù)材料保護(hù)的鈉金屬負(fù)極在充放電后的表面形貌。圖[X]展示了使用單原子銅摻雜碳纖維薄膜（CuCF）、石墨烯（G）、碳納米管（CNT）和MOF衍生碳（MOF-C）保護(hù)的鈉金屬負(fù)極在10次充放電循環(huán)后的SEM圖像。從圖中可以看出，使用G保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面出現(xiàn)了明顯的鈉枝晶，枝晶長(zhǎng)度較長(zhǎng)且分布較為密集；使用CNT保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面也有少量鈉枝晶生長(zhǎng)；使用MOF-C保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面鈉枝晶生長(zhǎng)情況相對(duì)較輕，但仍存在一些細(xì)小的枝晶。而使用CuCF保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面較為平整，幾乎沒(méi)有明顯的鈉枝晶生長(zhǎng)。這表明單原子銅摻雜碳纖維薄膜在抑制鈉枝晶生長(zhǎng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效阻擋鈉枝晶的形成和生長(zhǎng)，提高電池的安全性。在電池性能方面，對(duì)比了不同保護(hù)材料保護(hù)的鈉金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。圖[X]展示了使用不同保護(hù)材料的鈉金屬電池在0.5mA/cm2電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性曲線(xiàn)?？梢钥闯?，使用G保護(hù)的電池在循環(huán)過(guò)程中容量衰減較快，在第50次循環(huán)時(shí)，容量保持率僅為[X]%；使用CNT保護(hù)的電池容量衰減相對(duì)較慢，在第50次循環(huán)時(shí)，容量保持率為[X]%；使用MOF-C保護(hù)的電池循環(huán)穩(wěn)定性較好，在第50次循環(huán)時(shí)，容量保持率達(dá)到了[X]%。而使用CuCF保護(hù)的電池循環(huán)穩(wěn)定性最佳，在第50次循環(huán)時(shí)，容量保持率高達(dá)[X]%。在倍率性能方面，圖[X]展示了不同保護(hù)材料保護(hù)的鈉金屬電池在不同電流密度下的比容量。隨著電流密度的增加，使用G、CNT和MOF-C保護(hù)的電池比容量下降較為明顯，而使用CuCF保護(hù)的電池比容量下降相對(duì)緩慢，在高電流密度下仍能保持較高的比容量。這說(shuō)明單原子銅摻雜碳纖維薄膜能夠有效提高鈉金屬電池的倍率性能，使其在不同工作條件下都能保持較好的性能。然而，單原子銅摻雜碳纖維薄膜也存在一些不足之處。與一些其他保護(hù)材料相比，其制備工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高。此外，在大規(guī)模生產(chǎn)方面，目前還存在一些技術(shù)難題需要解決。但總體而言，單原子銅摻雜碳纖維薄膜在抑制鈉枝晶生長(zhǎng)和提高電池性能方面的優(yōu)勢(shì)使其具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，降低成本，有望推動(dòng)其在鈉金屬電池領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。4.3保護(hù)機(jī)制探究4.3.1抑制鈉枝晶生長(zhǎng)機(jī)制通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)使用單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極在不同充放電循環(huán)后的沉積形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)觀(guān)察。圖[X]展示了鈉金屬負(fù)極在10次、20次和30次充放電循環(huán)后的SEM圖像。從圖中可以看出，在10次循環(huán)后，使用未摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面已經(jīng)出現(xiàn)了一些細(xì)小的鈉枝晶，而使用單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面則較為平整，僅有少量微小的鈉顆粒沉積。隨著循環(huán)次數(shù)增加到20次，未摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面的鈉枝晶明顯生長(zhǎng)，長(zhǎng)度和數(shù)量都有所增加，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面的鈉枝晶生長(zhǎng)則受到明顯抑制，鈉顆粒的沉積仍然相對(duì)均勻。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到30次時(shí)，未摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面的鈉枝晶已經(jīng)嚴(yán)重生長(zhǎng)，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的枝晶網(wǎng)絡(luò)，而單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬負(fù)極表面雖然也有鈉枝晶出現(xiàn)，但生長(zhǎng)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的情況。結(jié)合電化學(xué)測(cè)試分析，進(jìn)一步探討了單原子銅摻雜碳纖維薄膜抑制鈉枝晶生長(zhǎng)的機(jī)制。從循環(huán)伏安（CV）曲線(xiàn)來(lái)看，使用單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬電池在充放電過(guò)程中的氧化還原峰更加尖銳，且峰電位差較小，這表明電池的反應(yīng)可逆性更好，鈉離子的沉積和脫出更加均勻。在恒流充放電測(cè)試中，單原子銅摻雜碳纖維薄膜保護(hù)的鈉金屬電池的庫(kù)倫效率始終保持在較高水平，且在循環(huán)過(guò)程中的波動(dòng)較小，這說(shuō)明電池在充放電過(guò)程中鈉離子的損失較少，鈉枝晶的生長(zhǎng)得到了有效抑制。單原子銅摻雜碳纖維薄膜抑制鈉枝晶生長(zhǎng)的機(jī)制主要包括以下兩個(gè)方面。一方面，單原子銅的存在為鈉離子提供了均勻的成核位點(diǎn)。由于單原子銅具有較高的催化活性，能夠降低鈉離子的成核過(guò)電位，使得鈉離子更容易在碳纖維薄膜表面均勻成核，從而避免了鈉離子在局部區(qū)域的過(guò)度聚集，抑制了鈉枝晶的生長(zhǎng)。另一方面，單原子銅摻雜改變了碳纖維薄膜表面的電場(chǎng)分布。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)單原子銅的摻雜使得碳纖維薄膜表面的電場(chǎng)更加均勻，減少了電場(chǎng)畸變引起的鈉離子不均勻沉積，從而有效抑制了鈉枝晶的生長(zhǎng)。綜上所述，通過(guò)SEM觀(guān)察鈉沉積形態(tài)和電化學(xué)測(cè)試分析，明確了單原子銅摻雜碳纖維薄膜通過(guò)提供均勻成核位點(diǎn)和調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布來(lái)抑制鈉枝晶生長(zhǎng)的機(jī)制，為鈉金屬負(fù)極的保護(hù)提供了重要的理論依據(jù)。4.3.2增強(qiáng)界面穩(wěn)定性機(jī)制利用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）和電化學(xué)阻抗譜（EIS）等測(cè)試手段，深入分析了單原子銅摻雜碳纖維薄膜與鈉金屬之間的界面化學(xué)反應(yīng)和界面電阻變化，以探究其增強(qiáng)界面穩(wěn)定性的機(jī)制。XPS分析結(jié)果表明，在單原子銅摻雜碳纖維薄膜與鈉金屬接觸后，界面處發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)。圖[X]展示了界面處的XPS窄譜圖，從圖中可以看出，在碳元素的窄譜中，出現(xiàn)了新的C-Na鍵峰，這表明碳纖維表面的碳原子與鈉金屬發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵。在銅元素的窄譜中，銅的價(jià)態(tài)發(fā)生了變化，部分Cu2+被還原為Cu+，這說(shuō)明銅原子參與了界面反應(yīng)，可能起到了催化作用，促進(jìn)了穩(wěn)定界面層的形成。通過(guò)對(duì)XPS譜圖的定量分析，確定了界面處各元素的化學(xué)組成和相對(duì)含量，進(jìn)一步證實(shí)了穩(wěn)定界面層的形成。EIS測(cè)試結(jié)果則反映了界面電阻的變化情況。圖[X]展示了電池在不同循環(huán)次數(shù)下的EIS圖譜，從圖中可以看出，使用單原子銅摻雜碳纖維薄