多壳层空心球由于具有很大的内部空间及厚度在纳米尺度范围内的壳层，在光电器件、化学传感器、能量转换及存储体系、催化、药物输送等领域有广泛的应用前景。在国家自然科学基金和国家重点实验室基金的支持下，中科院过程工程研究所王丹研究员领导的科研团队发展了一种制备金属氧化物多壳层空心球的普适方法——时空多尺度模板法。

该方法以吸附了金属离子的碳球为起点，通过对前驱体溶液浓度和热处理方式的调控，利用碳球在氧化收缩过程中的多次模板作用制备了壳层数、壳层间距和尺寸等可控的金属氧化物空心球。分别将该方法制备的Fe₂O₃多壳层空心球制成气敏元件，将ZnO多壳层空心球用作染料敏化太阳能电池的光阳极，均表现出了不同于传统材料的优良的气敏性能和更高的光电转化效率。相关研究结果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2738-2741）和《先进材料》（Advanced Materials, 2012, 24, 1046-1049）上。

在以往成果的基础上，通过控制水合金属阳离子的尺寸及其扩散速率，以及碳球模板对金属离子的吸附能力，成功实现了对多壳层Co₃O₄空心球壳层数和内部结构的精密控制（图1），所得产物粒径均一、产率高、纯度高。研究结果表明，采用这些纯度及产率都极高的Co₃O₄多壳层空心球作为锂离子电池的负极材料，电池的比电容量、循环性能及大电流放电能力均大为改善（图2），其中三壳层空心球第30次的放电容量仍然高达1615.8 mAh g^-1。这是由于Co₃O₄多壳层空心球独特的多孔多壳层空心结构，提供了更多的储锂位点，更短的锂离子及电子扩散路径，同时适宜的内部空腔能更好地调适电极的结构与体积变化。该成果为高效锂离子电池负极材料的研发开辟了新的路径。相关研究结果发表在《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed.2013, DOI: 10.1002/anie.201301622）。

该项目得到国家自然科学基金（21031005, 91122014, 21203201, 51172235, 51202248, 21006116, 51272165）及多相复杂系统国家重点实验室基金（MPCS-2012-A-08）资助。

图1. 不同吸附条件制备的多壳层空心球的形成过程示意图

图2. a)多壳层Co₃O₄空心球首次充放电性能曲线，电流密度为50mA g^-1，电压为0.05-3.0V；b）多壳层Co₃O₄空心球及商业Co₃O₄粉末循环性能图，电流密度为50mA g^-1；c）三壳层Co₃O₄空心球及商业Co₃O₄粉末的变电流放电曲线对比图。