大连化学所利用原位穆斯堡尔谱技术阐明普鲁士蓝正极材料的工作机制

钠离子电池是一种二次电池(充电电池)，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。2022年度化学领域十大新兴技术之一。在充放电过程中，Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极;放电时则相反。新款18650钠离子电池，借助了钠离子转移(而不是锂离子)来存储和释放电能。

近日，大连化学物理研究所与法国蒙彼利埃大学合作通过原位穆斯堡尔谱技术对钠离子电池的工作过程进行在线探测，结合低温77K穆斯堡尔谱、原位X射线衍射及同步辐射X射线吸收谱，阐明了普鲁士蓝正极材料的工作机制。该工作建立并使用了离子电池原位穆斯堡尔谱技术，为开发高容量、优循环稳定性的普鲁士蓝类正极材料提供了新思路。

钠离子电池的正极材料主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐、普鲁士蓝类材料等。

普鲁士蓝，即亚铁氰化铁，化学式为Fe4[Fe(CN)6]3，是一种配位化合物，可以用来上釉、用作油画染料等。普鲁士蓝类似物(PBAs)具备优异的电化学性能，成为钠离子电池正极材料主流材料之一。普鲁士蓝类材料具有开放型三维通道，使得钠离子在隧道中可以快速迁移，因此具有较好的结构稳定性和优异的倍率性能。

原子核无反冲地发射或共振吸收射线的现象后来就称之为穆斯保尔效应。凡是有穆斯堡尔效应的原子核 ,简称为穆斯堡尔核。

目前,发现具有穆斯堡尔效应的化学元素 (不包括铀后元素) 只有 42 种 ,80 多种同位素的 100 多个核跃迁. 尤其是尚未发现比钾( K) 元素更轻的含穆斯堡尔核素的化学元素. 大多数要在低温下才能观察到 ,只57 Fe 的 1414keV和119Sn 的 23. 87keV 核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率. 对于不含穆斯堡尔原子的固体 ,可将某种合适的穆斯堡尔核人为地引入所要研究的固体中 ,即将穆斯堡尔核作为探针进行间接研究 ,也能得到不少有用信息。

固体中的原子，可以实现γ光子的无反冲共振吸收。当无反冲γ射线经过一吸收体时，如果入射γ光子能量与吸收体中的某原子核的能级间跃迁能量相等，这种能量的γ光子就会被吸收体共振吸收。若要测出共振吸收的能量大小，必须发射一系列不同能量的γ光子。 与穆斯堡尔原子核跃迁能量相应的γ光子显著地被共振吸收，透过后为计数器所接收的光子数明显减少; 而能量相差较大的γ光子，则不被共振吸收，透射γ光子计数较大。

这种经吸收后所测得的γ光子数随入射γ光子的能量的变化关系，就称为穆斯堡尔谱。通过测量透过吸收体的γ光子计数，所得到的穆斯堡尔谱称为透射穆斯堡尔谱。如果测量由吸收体散射后的γ光子计数得到的穆斯堡尔谱，称为散射穆斯堡尔谱 (或背散射穆斯堡尔谱)。即吸收体共振吸收后处于激发状态,再向基态跃迁时发射出γ射线，又称二次γ光子。 共振吸收时，发射出二次光子数目最多。

要想吸收体中某种核发生共振吸收，就必须具有能发出相应于这种核跃迁能量的γ光子的放射源。一般放射源发射的只是一或二种能量的γ光子 ，这就不能形成穆斯堡尔谱。但使放射源相对于吸收体运动，利用多普勒效应来调制γ射线的能量，可以得到一系列不同能量的γ光子。根据多普勒效应可知，当源向着接收器运动时，频率增加;而远离接收器运动时，频率减小。

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